Урок Принципы действия ферментов, их роль в жизнедеятельности организмов

Принципы действия ферментов, их роль в жизнедеятельности организмов

Цели:

Образовательные:

• изучить ферменты, их роль в регуляции жизнедеятельности клетки и практическом значении в жизни человека;

• сформировать знания о белках - ферментах, играющих важную роль в процессах жизнедеятельности клетки;

• сформировать знания о ферментах - катализаторах – как одной из важнейших функций.

Развивающие:

• продолжить формирование умений по составлению схем и проведению простейших цитологических опытов;

• развивать умение анализировать результаты лабораторных опытов, устанавливать причинно - следственные связи между живыми и неживыми клетками;

• развивать познавательный интерес учащихся к предмету общая биология.

Воспитательные:

• формирование научного мировоззрения, четких представлений о роли биологии в современном обществе,

• развивать коммуникативную и информационную компетенцию.

Оборудование: компьютер, проектор, конструктор « Действие ферментов».

Базовые понятия и термины: фермент, энзим, активный центр фермента, специфичность ферментов, условия работы ферментов.

Тип урока: мастерская разновозрастного сотрудничества, закрепления изучаемого материала, систематизации знаний, навыков.

“Мыслящий ум не чувствует себя счастливым, пока ему не удается связать воедино разрозненные факты, им наблюдаемые”

Д. Хевеши

Ход урока

Организационный момент

Создание проблемной ситуации

Вот жизнь, что сфинкс!

Закон её – мгновенье,
И нет среди людей такого мудреца,
Кто мог сказать толпе, куда её движение,
Кто мог бы уловить, черты её лица.
То вся она печаль, то всё она приманка,
То всё в ней блеск и свет, то всё позор и тьма.
Жизнь – это Серафим и пьяная Вакханка,
Жизнь – это океан и тесная тюрьма.

Гете

А еще жизнь - это белок, и путь к познанию живых организмов лежит через белки. Белки в организме выполняют огромное количество функций. Есть среди них, по словам И.П. Павлова, белки «возбудители всех химических превращений» у живых существ. Человеческий организм – химическая лаборатория, в которой ежесекундно протекает 15 млрд. реакций, которые подобны симфонии. Стоит только нарушить последовательность звуков – получится хаос.

• «Как называется группа белков - «возбудителей всех химических превращений», и какими свойствами они обладают»? на этот вопрос вы сможете ответить, посмотрев видеоролики.

1. О каком процессе идет речь?

• Видеоролик о расщеплении веществ в ЖКТ

(Расщепление органических веществ в ЖКТ, все белки высокоспецифичные к своему субстрату)

2. Что происходит с белком при высоких температурах?

• Видеоролик о денатурации белка

(При высоких температурах белок подвергается денатурации и его активность падает)

3. Что происходит с белком, если он попадает в чужую среду?

• Видеоролик о рН среды

(Для каждого белка существует оптимальное значение pH, при котором он проявляет максимальную активность)

4. Как алкоголь влияет на работу желудка?

• Видеоролик об отравлении желудка алкоголем

(На скорость и качество переваривания влияет и концентрация белка)

Так, что же это за чудо – белки?(Ответы учащихся)

(На доске открывается ассоциативный куст «Ферменты»)

ФЕРМЕНТЫ

• Специфичны

• Денатурация

• рН

• Количество фермента и субстрата

Актуализация знаний учащихся

Мозговой штурм

С какими материальными объектами связана тайна жизни? Это один из главных вопросов, на который пыталась ответить наука на протяжении всей истории. И уже довольно давно ученые поняли, что важную, а может быть и главную роль во всех жизненных процессах играют…белки.

Мы познакомились на уроках биологии и химии со строением, свойствами и функциями белков. Над проблемой строения белков долгое время работал Э. Фишер, и после его работы была создана…

• Какая теория? (Полипептидная теория строения белков)

• Что было доказано? (Было доказано, что в состав белков входят следующие элементы: C, H, O, N, S и другие, в разных количествах)

• Почему белкам дано название протеины? ()

• Согласно пептидной теории, какова структура белков? (последовательность аминокислот, соединенных пептидной связью)

• Какие функции белки выполняют в клетках? ()

• Какими свойствами обладают белки? (Денатурация, ренатурация)

Объявление темы урока

Наш урок будет проходить под девизом: “Мыслящий ум не чувствует себя счастливым, пока ему не удается связать воедино разрозненные факты, им наблюдаемые” Д. Хевеши

Таким образом, нам с вами предстоит решить не только теоретические вопросы о ферментах, но и практически пронаблюдать их действие. Чтобы достигнуть цели урока, мы должны будем связать воедино весь предлагаемый для изучения и наблюдения материал и в конце урока прийти к определенному выводу, а для этого необходимо поэтапно решать поставленные нами задачи урока. Кроме этого, этот урок еще необычен и тем, что в нем участвуют учащиеся 9-го и 10-го классов. Это урок разновозрастного сотрудничества.

Изучение нового материала

Рассказ учителя (на фоне фильма «Как работает организм человека»)

• Ферменты

Организм каждого животного и растения является, по сути, химическим заводом. Если в организме не происходят постоянные химические изменения, то жизнь фактически невозможна. Мы можем употреблять пищу, дышать, двигаться, потому что в клетках, тканях и органах происходят химические изменения.

Вот пример процесса химической жизни. Вы едите кусочек хлеба, кашу или картофель. Крахмал этой пищи превращается в глюкозу, которая затем попадает в кровь. Глюкоза сжигается с помощью кислорода, который вы вдыхаете, и организм получает энергию.

Химики определили, что подобные процессы возможны
благодаря небольшому количеству протеина. Этот протеин называют ферментом. Из курса химии вам известно, что такое катализатор. Это вещество, которое ускоряет реакцию, оставаясь в конце реакции неизменным (не расходуясь). Биологические катализаторы называются ферментами (от лат. fermentum – брожение, закваска), или энзимами, этот термин был предложен в начале XVII века голландским ученым Ван Гельмондом.

Почти все ферменты – это белки (но не все белки – ферменты!). В последние годы стало известно, что и некоторые молекулы РНК имеют свойства ферментов.

Впервые высокоочищенный кристаллический фермент был выделен в 1926 г. американским биохимиком Дж. Самнером. Этим ферментом была уреаза, которая катализирует расщепление мочевины. К настоящему времени известно более 2 тыс. ферментов, и их количество продолжает расти. Многие из них выделены из живых клеток и получены в чистом виде.

В клетке постоянно идут тысячи реакций. Если смешать в пробирке органические и неорганические вещества точно в тех же соотношениях, что и в живой клетке, но без ферментов, то почти никаких реакций с заметной скоростью идти не будет. Именно благодаря ферментам реализуется генетическая информация и осуществляется весь обмен веществ.

Для названия большинства ферментов характерен суффикс -аза, который чаще всего прибавляется к названию субстрата – вещества, с которым взаимодействует фермент. Например: Лактат + дегидрогенизация + -аза = лактатдегидрогеназа. Но для давно известных ферментов оставлены прежние названия пепсин, трипсин.

• Свойства ферментов и факторы, влияющие на их активность. Механизм действия ферментов

Диалог «Ты – мне, я – тебе»

(проведение лабораторных опытов и решение биологических задач)

Соблюдение правил безопасности. Инструктаж.

1.Внимательно придерживаться правил пожарной безопасности.

2.Каждый работающий до начала опыта или исследований должен хорошо ознакомиться с методикой проведения исследования, свойствами веществ, используемых в работе.

3. При попадании кислоты или щелочей на поверхность кожи следует немедленно смыть сильной струей воды.

4. Нагрев пробирку, следует держать ее проемом в сторону, а не к себе или к работающему рядом, потому что жидкость вследствие нагревания часто выплескивается из пробирки.

5.Быть осторожным при работе со стеклом.

Лабораторный опыт № 1

(проводит учащийся 9–го класса).

Денатурация белков (нагревание белка куриного яйца).

При нагревании пробирки с раствором яичного белка в ней появляются белые хлопья. С чем это связано? (ответы учащихся 10-го класса. Действие температуры – высокой и низкой.)

Лабораторный опыт № 2

(проводит учащийся 10-го класса).

Влияние рН среды на активность ферментов (в молоко добавляется лимонная кислота).

Молоко содержит значительное количество белка казеина. При добавлении в молоко нескольких капель раствора лимонной кислоты белок сворачивается. Такой же процесс происходит и при скисании молока, поскольку при этом также образуется молочная кислота. Какое свойство ферментов позволяет обнаружить данный опыт? (ответы учеников 9-го класса. Ферменты работают при определенной рН).

Биологическая задача № 1

(вопрос задает учащийся 10-го класса).

Углекислый газ из крови связывается с гемоглобином в карбогемоглобин со скоростью 10 молекул в секунду, а при ферменте карбоангидраза в 10 раз быстрее. Объясните данный факт (ответы учеников 9-го класса. Высокая каталитическая активность).

Биологическая задача № 2

(вопрос задает учитель).

Расщепляю Жиры я до жирных кислот,
И за это меня прославляет народ!
Я - Липаза, а тем, кто со мною в строю,
За труды я хвалебную песню пою!
Коль завелся противник у нас - Молоко,
То Лактаза его одолеет легко!
Протеаза Белки расщепляет на раз,
Организм избавляя от разных зараз,
Диастаза, вступая с Крахмалом в борьбу,
Перед битвой видала мерзавца в гробу -
Сон был вещим: противник коварный разбит,
Представляя собою Моносахарид!
А Пепсин удалой до Аминокислот
Непременно враждебный Белок изведет.
А когда вам в желудок вторгается Фрукт -
Целлюлаза спешит истребить сей продукт.

О каком свойстве ферментов шла речь?(ответы учащихся 9-го и 10-го классов с демонстрацией(кусочек ткани со словом «амилаза» и построение на магнитной доске аппликации «ключа и замка». Ферменты обладают очень высокой специфичностью. Эта специфичность обусловлена особой формой молекулы фермента, точно соответствующей форме молекулы субстрата. Эту гипотезу называют гипотезой “ключа и замка”: субстрат сравнивается в ней с ключом, который точно подходит к замку, т.е. к ферменту).

Биологическая задача № 3

(вопрос задают учащиеся 9-го класса).

Известно, что для нормального свертывания крови необходимы ионы кальция. Какова их роль в этом процессе? (ответы учащихся 10-го класса. Для работы ферментов нужны активаторы, например ионы кальция).

Лабораторный опыт № 3

(проводит учащийся 9-го класса).

Концентрация фермента и субстрата (в пробирке № 1 – маленький кусочек мяса, а в пробирке № 2 – большой. В пробирку наливается одинаковое количество перекиси водорода).

Почему в пробирке № 1 газ выделяется активнее, чем в пробирке № 2? (ответы учащихся 10-го класса. Чем выше концентрация исходных веществ, тем выше скорость реакции. Выделение кислорода при действии пероксида водорода свидетельствует о проявлении каталитической функции фермента – каталазы, который при 0оС разлагает в 1 сек до 40000 молекул пероксида водорода).

• Сравнение ферментов с неорганическими катализаторами

3.Рассказ учителя, опираясь на жизненный опыт учащихся (по ходу рассказа заполняется таблица).

Ферменты во многом отличаются от небиологических катализаторов.

1. Ферменты значительно эффективнее (в 104–109 раз). Так, единственная молекула фермента каталазы может расщепить за одну секунду 10 тыс. молекул токсичной для клетки перекиси водорода:

2Н2О2 –– 2H2O + O2­,

которые возникают при окислении в организме различных соединений. Или еще один пример, подтверждающий высокую эффективность действия ферментов: при комнатной температуре одна молекула уреазы способна за за одну секунду расщепить до 30 тыс. молекул мочевины:

H2N–CO–NH2 + Н2О –– СО2­ + 2NН3­.

Не будь катализатора, на это потребовалось бы около 3 млн. лет.

2. Высокая специфичность действия ферментов. Большинство ферментов действуют лишь на один или очень небольшое число «своих» природных соединений (субстратов). Специфичность ферментов отражает формула «один фермент – один субстрат». Благодаря этому в живых организмах множество реакций катализируется независимо.

3. Ферменты доступны тонкой и точной регуляции. Активность фермента может увеличиваться или уменьшаться при незначительном изменении условий, в которых он «работает».

4. Небиологические катализаторы в большинстве случаев хорошо работают лишь при высокой температуре. Ферменты же, присутствуя в клетках в малых количествах, работают при обычной температуре и давлении (хотя рамки действия ферментов ограничены, так как высокая температура вызывает денатурацию). Поскольку большинство ферментов являются белками, их активность наиболее высока при физиологически нормальных условиях: t=35–45 °C; слабощелочная среда (хотя для каждого фермента существует свое оптимальное значение рН).

5. Ферменты образуют комплексы – так называемые биологические конвейеры. Процесс расщепления или синтеза любого вещества в клетке, как правило, разделен на ряд химических операций. Каждую операцию выполняет отдельный фермент. Группа таких ферментов составляет своего рода биохимический конвейер.

6. Ферменты способны регулироваться, т.е. «включаться» и «выключаться» (правда, это относится не ко всем ферментам, например, не регулируется амилаза слюны и ряд других пищеварительных ферментов). В большинстве молекул апоферментов есть участки, которые узнают еще и конечный продукт, «сходящий» с полиферментного конвейера. Если такого продукта слишком много, то активность самого начального фермента тормозится им, и наоборот, если продукта мало, то фермент активизируется. Так регулируется множество биохимических процессов.

Таким образом, ферменты обладают целым рядом преимуществ по сравнению с небиологическими катализаторами.

• Значение ферментов

Рассказ учителя

Сейчас известно, что многие заболевания вызываются снижением активности ферментов, а нарушения синтеза одного из них может стать причиной гибели организма. Например, недостаток у детей фермента, превращающего галактозу в глюкозу, вызывает галактоземию, при которой дети отравляются избытком галактозы и погибают в первые месяцы жизни. С помощью ферментов ученые в настоящее время расшифровывают сложные структуры биополимеров: белков и нуклеиновых кислот. Так, например, энзимы помогли ученым с триумфом расшифровать геном человека, который, как оказалось, состоит «всего лишь» из 26—30 тыс. генов. Проводится клонирование, достигли небывалых успехов биотехнология и генная инженерия.

Сообщение учащегося

Многочисленные отрасли пищевой промышленности: виноделие, хлебопечение, сыроварение, производство чая, спирта — основаны на широком применении ферментов.

В фармацевтической промышленности с помощью ферментов получают различные препараты: витамины, лекарства, антибиотики.

Закрепление

Работа в группах

1.ТРИЗОТВОРЧЕСТВО «Безопасный удав»

Часто с удавами выступают танцовщицы в варьете и цирках. Танцовщица - явно не дрессировщица, но не боится играть с удавом, обвивать его вокруг своего тела. Как этого можно добиться? Противоречие: Удав должен обвиваться вокруг танцовщицы при выступлении и не должен обвиваться, чтобы не навредить ей. (Перед выступлением змею хорошенько охлаждают, и она выступает в полусонном состоянии... Ферменты работают при определенной температуре. При понижении температуры тела их активность падает).

2. РЕШИ КРОССВОРД «Пищеварение в желудке и двенадцатиперстной кишке. Действие ферментов»

1. Фермент, расщепляющий белки.

2. Заболевание, при котором происходит усиленное образование кишечных газов, нарушение всасывания воды в толстой кишке, снижение эффективности пищеварения.

3. Биологические катализаторы.

4. Начальная часть тонкой кишки.

5. Вещество, на которое действует фермент.

6. Палочки, находящиеся в тонкой и толстой кишке.

7. Оболочка, сокращение которой способствует лучшему перемешиванию пищи и пропитыванию её желудочным соком.

8. Секрет железы, который защищает стенки желудка.

9. Кольцевая мышца.

10. Отдел пищеварительного канала, куда попадает сформировавшийся пищевой комок.

11. Фермент, расщепляющий белки до аминокислот.

12. Кислота, создающая среду для работы фермента, и уничтожающая многие вредные микроорганизмы.

13. Самая широкая часть пищеварительного канала.

14. Зеленовато-жёлтая жидкость горького вкуса. Под её воздействием жиры распадаются на мельчайшие капельки.

3,4. ФАНТАСТИЧЕСКИЙ ПРОЕКТ «Отгадай задуманное»

(Каждая команда расшифровывает коллаж соперника)

Конверт 1.Составьте коллаж «Фермент» по плану:

• Химическая природа

• Специфичность

• Оптимальная рН среды

• Изменение структуры катализато­ра в ходе ре­акции

• Увеличение скорости реакции

Конверт 2. Составьте коллаж «Катализатор» по плану:

• Химическая природа

• Специфичность

• Оптимальная рН среды

• Изменение структуры катализато­ра в ходе ре­акции

• Увеличение скорости реакции

5. Конструктор «Механизм действия ферментов»

Смоделируйте механизм действия ферментов, используя конструктор LEGO

(Ферменты действуют в живых организмах по тем же законам, что и любые катализаторы. Ферментативный катализ основан на снижении энергетического барьера.

• Катализируя реакцию, фермент тесно сближает молекулы «своих» субстратов.

• Субстрат, присоединившись к ферменту, несколько изменяется.

• Фермент «отрывает» атом (или атомы) от каждого из субстратов, после чего субстраты соединяются.

• Отделившиеся атомы соединяются друг с другом и покидают фермент.

• Теперь фермент способен присоединить новые молекулы субстратов).

Подведение итогов. Выставление оценок

Рефлексия

Поурочная карточка

1. Известно, что скорость химических реакций при снижении температуры на 10°С уменьшается всего в 2–3 раза. Биохимики для большей стабильности анализируемых образцов хранят их при пониженной температуре. Тем не менее если у замерзающего человека температура тела падает хотя бы на 10°С, то это приводит к серьезным, часто необратимым последствиям. Нет ли здесь противоречия?

2. Из записных книжек Кифы Мокиевича: «Протеаза – фермент, расщепляющий пептидные связи в белках. Амилаза – фермент, расщепляющий гликозидные связи в углеводах. Известно, что все ферменты обладают крайне высокой специфичностью и подходят к субстрату, как ключ к замку. Раз субстраты у ферментов совпадают, то одинаковы и сами ферменты. Отсюда следует, что биохимикам достаточно изучить одну амилазу (скажем, из слюны человека) и одну протеазу (скажем, из стирального порошка) – ведь они идентичны!» Как бы вы могли возразить Кифе Мокиевичу?

3. Из тканей крысы был выделен некоторый фермент. Его раствор при +4°С сохраняет каталитическую активность на протяжении нескольких недель. После же того, как его поместили на 2 ч в термостат при +40°С, он утратил 50% активности. Верно ли, что еще через 2 ч он стал бы полностью неактивным? Но в теле крысы отнюдь не +4°С, а как раз +40°С. Так нужен ли ей такой нестойкий фермент?

4. Попробуйте составить список ферментов, необходимых для существования любой клетки. Если название того или иного фермента вам неизвестно, достаточно указать катализируемую им реакцию.

5. Экспериментатор, изучая скорость расщепления белка протеазой, обнаружил, что она с течением времени сначала выросла в несколько раз, а потом упала – до полной утраты активности фермента. Как можно объяснить эту закономерность? Какие протеазы, по вашему мнению, обладают таким свойством?

6. Почему активность фермента может зависеть от рН?

7. Какими способами клетка может управлять скоростями протекающих в ней химических процессов? А какими способами может регулировать скорости химических процессов организм человека?

8. Как вы понимаете «каталитический (ферментативный) конвейер в клетке»? В чем заключается преимущество конвейерного расположения молекул ферментов на мембране по сравнению со свободным, беспорядочным их положением в цитоплазме?

Принципы действия ферментов, их роль в жизнедеятельности организмов

Цели:

Образовательные:

• изучить ферменты, их роль в регуляции жизнедеятельности клетки и практическом значении в жизни человека;

• сформировать знания о белках - ферментах, играющих важную роль в процессах жизнедеятельности клетки;

• сформировать знания о ферментах - катализаторах – как одной из важнейших функций.

Развивающие:

• продолжить формирование умений по составлению схем и проведению простейших цитологических опытов;

• развивать умение анализировать результаты лабораторных опытов, устанавливать причинно - следственные связи между живыми и неживыми клетками;

• развивать познавательный интерес учащихся к предмету общая биология.

Воспитательные:

• формирование научного мировоззрения, четких представлений о роли биологии в современном обществе,

• развивать коммуникативную и информационную компетенцию.

Оборудование: компьютер, проектор, конструктор « Действие ферментов».

Базовые понятия и термины: фермент, энзим, активный центр фермента, специфичность ферментов, условия работы ферментов.

Тип урока: мастерская разновозрастного сотрудничества, закрепления изучаемого материала, систематизации знаний, навыков.

“Мыслящий ум не чувствует себя счастливым, пока ему не удается связать воедино разрозненные факты, им наблюдаемые”

Д. Хевеши

Ход урока

Организационный момент

Создание проблемной ситуации

Вот жизнь, что сфинкс!

Закон её – мгновенье,
И нет среди людей такого мудреца,
Кто мог сказать толпе, куда её движение,
Кто мог бы уловить, черты её лица.
То вся она печаль, то всё она приманка,
То всё в ней блеск и свет, то всё позор и тьма.
Жизнь – это Серафим и пьяная Вакханка,
Жизнь – это океан и тесная тюрьма.

Гете

А еще жизнь - это белок, и путь к познанию живых организмов лежит через белки. Белки в организме выполняют огромное количество функций. Есть среди них, по словам И.П. Павлова, белки «возбудители всех химических превращений» у живых существ. Человеческий организм – химическая лаборатория, в которой ежесекундно протекает 15 млрд. реакций, которые подобны симфонии. Стоит только нарушить последовательность звуков – получится хаос.

• «Как называется группа белков - «возбудителей всех химических превращений», и какими свойствами они обладают»? на этот вопрос вы сможете ответить, посмотрев видеоролики.

1. О каком процессе идет речь?

• Видеоролик о расщеплении веществ в ЖКТ

(Расщепление органических веществ в ЖКТ, все белки высокоспецифичные к своему субстрату)

2. Что происходит с белком при высоких температурах?

• Видеоролик о денатурации белка

(При высоких температурах белок подвергается денатурации и его активность падает)

3. Что происходит с белком, если он попадает в чужую среду?

• Видеоролик о рН среды

(Для каждого белка существует оптимальное значение pH, при котором он проявляет максимальную активность)

4. Как алкоголь влияет на работу желудка?

• Видеоролик об отравлении желудка алкоголем

(На скорость и качество переваривания влияет и концентрация белка)

Так, что же это за чудо – белки?(Ответы учащихся)

(На доске открывается ассоциативный куст «Ферменты»)

ФЕРМЕНТЫ

• Специфичны

• Денатурация

• рН

• Количество фермента и субстрата

Актуализация знаний учащихся

Мозговой штурм

С какими материальными объектами связана тайна жизни? Это один из главных вопросов, на который пыталась ответить наука на протяжении всей истории. И уже довольно давно ученые поняли, что важную, а может быть и главную роль во всех жизненных процессах играют…белки.

Мы познакомились на уроках биологии и химии со строением, свойствами и функциями белков. Над проблемой строения белков долгое время работал Э. Фишер, и после его работы была создана…

• Какая теория? (Полипептидная теория строения белков)

• Что было доказано? (Было доказано, что в состав белков входят следующие элементы: C, H, O, N, S и другие, в разных количествах)

• Почему белкам дано название протеины? ()

• Согласно пептидной теории, какова структура белков? (последовательность аминокислот, соединенных пептидной связью)

• Какие функции белки выполняют в клетках? ()

• Какими свойствами обладают белки? (Денатурация, ренатурация)

Объявление темы урока

Наш урок будет проходить под девизом: “Мыслящий ум не чувствует себя счастливым, пока ему не удается связать воедино разрозненные факты, им наблюдаемые” Д. Хевеши

Таким образом, нам с вами предстоит решить не только теоретические вопросы о ферментах, но и практически пронаблюдать их действие. Чтобы достигнуть цели урока, мы должны будем связать воедино весь предлагаемый для изучения и наблюдения материал и в конце урока прийти к определенному выводу, а для этого необходимо поэтапно решать поставленные нами задачи урока. Кроме этого, этот урок еще необычен и тем, что в нем участвуют учащиеся 9-го и 10-го классов. Это урок разновозрастного сотрудничества.

Изучение нового материала

Рассказ учителя (на фоне фильма «Как работает организм человека»)

• Ферменты

Организм каждого животного и растения является, по сути, химическим заводом. Если в организме не происходят постоянные химические изменения, то жизнь фактически невозможна. Мы можем употреблять пищу, дышать, двигаться, потому что в клетках, тканях и органах происходят химические изменения.

Вот пример процесса химической жизни. Вы едите кусочек хлеба, кашу или картофель. Крахмал этой пищи превращается в глюкозу, которая затем попадает в кровь. Глюкоза сжигается с помощью кислорода, который вы вдыхаете, и организм получает энергию.

Химики определили, что подобные процессы возможны
благодаря небольшому количеству протеина. Этот протеин называют ферментом. Из курса химии вам известно, что такое катализатор. Это вещество, которое ускоряет реакцию, оставаясь в конце реакции неизменным (не расходуясь). Биологические катализаторы называются ферментами (от лат. fermentum – брожение, закваска), или энзимами, этот термин был предложен в начале XVII века голландским ученым Ван Гельмондом.

Почти все ферменты – это белки (но не все белки – ферменты!). В последние годы стало известно, что и некоторые молекулы РНК имеют свойства ферментов.

Впервые высокоочищенный кристаллический фермент был выделен в 1926 г. американским биохимиком Дж. Самнером. Этим ферментом была уреаза, которая катализирует расщепление мочевины. К настоящему времени известно более 2 тыс. ферментов, и их количество продолжает расти. Многие из них выделены из живых клеток и получены в чистом виде.

В клетке постоянно идут тысячи реакций. Если смешать в пробирке органические и неорганические вещества точно в тех же соотношениях, что и в живой клетке, но без ферментов, то почти никаких реакций с заметной скоростью идти не будет. Именно благодаря ферментам реализуется генетическая информация и осуществляется весь обмен веществ.

Для названия большинства ферментов характерен суффикс -аза, который чаще всего прибавляется к названию субстрата – вещества, с которым взаимодействует фермент. Например: Лактат + дегидрогенизация + -аза = лактатдегидрогеназа. Но для давно известных ферментов оставлены прежние названия пепсин, трипсин.

• Свойства ферментов и факторы, влияющие на их активность. Механизм действия ферментов

Диалог «Ты – мне, я – тебе»

(проведение лабораторных опытов и решение биологических задач)

Соблюдение правил безопасности. Инструктаж.

1.Внимательно придерживаться правил пожарной безопасности.

2.Каждый работающий до начала опыта или исследований должен хорошо ознакомиться с методикой проведения исследования, свойствами веществ, используемых в работе.

3. При попадании кислоты или щелочей на поверхность кожи следует немедленно смыть сильной струей воды.

4. Нагрев пробирку, следует держать ее проемом в сторону, а не к себе или к работающему рядом, потому что жидкость вследствие нагревания часто выплескивается из пробирки.

5.Быть осторожным при работе со стеклом.

Лабораторный опыт № 1

(проводит учащийся 9–го класса).

Денатурация белков (нагревание белка куриного яйца).

При нагревании пробирки с раствором яичного белка в ней появляются белые хлопья. С чем это связано? (ответы учащихся 10-го класса. Действие температуры – высокой и низкой.)

Лабораторный опыт № 2

(проводит учащийся 10-го класса).

Влияние рН среды на активность ферментов (в молоко добавляется лимонная кислота).

Молоко содержит значительное количество белка казеина. При добавлении в молоко нескольких капель раствора лимонной кислоты белок сворачивается. Такой же процесс происходит и при скисании молока, поскольку при этом также образуется молочная кислота. Какое свойство ферментов позволяет обнаружить данный опыт? (ответы учеников 9-го класса. Ферменты работают при определенной рН).

Биологическая задача № 1

(вопрос задает учащийся 10-го класса).

Углекислый газ из крови связывается с гемоглобином в карбогемоглобин со скоростью 10 молекул в секунду, а при ферменте карбоангидраза в 10 раз быстрее. Объясните данный факт (ответы учеников 9-го класса. Высокая каталитическая активность).

Биологическая задача № 2

(вопрос задает учитель).

Расщепляю Жиры я до жирных кислот,
И за это меня прославляет народ!
Я - Липаза, а тем, кто со мною в строю,
За труды я хвалебную песню пою!
Коль завелся противник у нас - Молоко,
То Лактаза его одолеет легко!
Протеаза Белки расщепляет на раз,
Организм избавляя от разных зараз,
Диастаза, вступая с Крахмалом в борьбу,
Перед битвой видала мерзавца в гробу -
Сон был вещим: противник коварный разбит,
Представляя собою Моносахарид!
А Пепсин удалой до Аминокислот
Непременно враждебный Белок изведет.
А когда вам в желудок вторгается Фрукт -
Целлюлаза спешит истребить сей продукт.

О каком свойстве ферментов шла речь?(ответы учащихся 9-го и 10-го классов с демонстрацией(кусочек ткани со словом «амилаза» и построение на магнитной доске аппликации «ключа и замка». Ферменты обладают очень высокой специфичностью. Эта специфичность обусловлена особой формой молекулы фермента, точно соответствующей форме молекулы субстрата. Эту гипотезу называют гипотезой “ключа и замка”: субстрат сравнивается в ней с ключом, который точно подходит к замку, т.е. к ферменту).

Биологическая задача № 3

(вопрос задают учащиеся 9-го класса).

Известно, что для нормального свертывания крови необходимы ионы кальция. Какова их роль в этом процессе? (ответы учащихся 10-го класса. Для работы ферментов нужны активаторы, например ионы кальция).

Лабораторный опыт № 3

(проводит учащийся 9-го класса).

Концентрация фермента и субстрата (в пробирке № 1 – маленький кусочек мяса, а в пробирке № 2 – большой. В пробирку наливается одинаковое количество перекиси водорода).

Почему в пробирке № 1 газ выделяется активнее, чем в пробирке № 2? (ответы учащихся 10-го класса. Чем выше концентрация исходных веществ, тем выше скорость реакции. Выделение кислорода при действии пероксида водорода свидетельствует о проявлении каталитической функции фермента – каталазы, который при 0оС разлагает в 1 сек до 40000 молекул пероксида водорода).

• Сравнение ферментов с неорганическими катализаторами

3.Рассказ учителя, опираясь на жизненный опыт учащихся (по ходу рассказа заполняется таблица).

Ферменты во многом отличаются от небиологических катализаторов.

1. Ферменты значительно эффективнее (в 104–109 раз). Так, единственная молекула фермента каталазы может расщепить за одну секунду 10 тыс. молекул токсичной для клетки перекиси водорода:

2Н2О2 –– 2H2O + O2­,

которые возникают при окислении в организме различных соединений. Или еще один пример, подтверждающий высокую эффективность действия ферментов: при комнатной температуре одна молекула уреазы способна за за одну секунду расщепить до 30 тыс. молекул мочевины:

H2N–CO–NH2 + Н2О –– СО2­ + 2NН3­.

Не будь катализатора, на это потребовалось бы около 3 млн. лет.

2. Высокая специфичность действия ферментов. Большинство ферментов действуют лишь на один или очень небольшое число «своих» природных соединений (субстратов). Специфичность ферментов отражает формула «один фермент – один субстрат». Благодаря этому в живых организмах множество реакций катализируется независимо.

3. Ферменты доступны тонкой и точной регуляции. Активность фермента может увеличиваться или уменьшаться при незначительном изменении условий, в которых он «работает».

4. Небиологические катализаторы в большинстве случаев хорошо работают лишь при высокой температуре. Ферменты же, присутствуя в клетках в малых количествах, работают при обычной температуре и давлении (хотя рамки действия ферментов ограничены, так как высокая температура вызывает денатурацию). Поскольку большинство ферментов являются белками, их активность наиболее высока при физиологически нормальных условиях: t=35–45 °C; слабощелочная среда (хотя для каждого фермента существует свое оптимальное значение рН).

5. Ферменты образуют комплексы – так называемые биологические конвейеры. Процесс расщепления или синтеза любого вещества в клетке, как правило, разделен на ряд химических операций. Каждую операцию выполняет отдельный фермент. Группа таких ферментов составляет своего рода биохимический конвейер.

6. Ферменты способны регулироваться, т.е. «включаться» и «выключаться» (правда, это относится не ко всем ферментам, например, не регулируется амилаза слюны и ряд других пищеварительных ферментов). В большинстве молекул апоферментов есть участки, которые узнают еще и конечный продукт, «сходящий» с полиферментного конвейера. Если такого продукта слишком много, то активность самого начального фермента тормозится им, и наоборот, если продукта мало, то фермент активизируется. Так регулируется множество биохимических процессов.

Таким образом, ферменты обладают целым рядом преимуществ по сравнению с небиологическими катализаторами.

• Значение ферментов

Рассказ учителя

Сейчас известно, что многие заболевания вызываются снижением активности ферментов, а нарушения синтеза одного из них может стать причиной гибели организма. Например, недостаток у детей фермента, превращающего галактозу в глюкозу, вызывает галактоземию, при которой дети отравляются избытком галактозы и погибают в первые месяцы жизни. С помощью ферментов ученые в настоящее время расшифровывают сложные структуры биополимеров: белков и нуклеиновых кислот. Так, например, энзимы помогли ученым с триумфом расшифровать геном человека, который, как оказалось, состоит «всего лишь» из 26—30 тыс. генов. Проводится клонирование, достигли небывалых успехов биотехнология и генная инженерия.

Сообщение учащегося

Многочисленные отрасли пищевой промышленности: виноделие, хлебопечение, сыроварение, производство чая, спирта — основаны на широком применении ферментов.

В фармацевтической промышленности с помощью ферментов получают различные препараты: витамины, лекарства, антибиотики.

Закрепление

Работа в группах

1.ТРИЗОТВОРЧЕСТВО «Безопасный удав»

Часто с удавами выступают танцовщицы в варьете и цирках. Танцовщица - явно не дрессировщица, но не боится играть с удавом, обвивать его вокруг своего тела. Как этого можно добиться? Противоречие: Удав должен обвиваться вокруг танцовщицы при выступлении и не должен обвиваться, чтобы не навредить ей. (Перед выступлением змею хорошенько охлаждают, и она выступает в полусонном состоянии... Ферменты работают при определенной температуре. При понижении температуры тела их активность падает).

2. РЕШИ КРОССВОРД «Пищеварение в желудке и двенадцатиперстной кишке. Действие ферментов»

1. Фермент, расщепляющий белки.

2. Заболевание, при котором происходит усиленное образование кишечных газов, нарушение всасывания воды в толстой кишке, снижение эффективности пищеварения.

3. Биологические катализаторы.

4. Начальная часть тонкой кишки.

5. Вещество, на которое действует фермент.

6. Палочки, находящиеся в тонкой и толстой кишке.

7. Оболочка, сокращение которой способствует лучшему перемешиванию пищи и пропитыванию её желудочным соком.

8. Секрет железы, который защищает стенки желудка.

9. Кольцевая мышца.

10. Отдел пищеварительного канала, куда попадает сформировавшийся пищевой комок.

11. Фермент, расщепляющий белки до аминокислот.

12. Кислота, создающая среду для работы фермента, и уничтожающая многие вредные микроорганизмы.

13. Самая широкая часть пищеварительного канала.

14. Зеленовато-жёлтая жидкость горького вкуса. Под её воздействием жиры распадаются на мельчайшие капельки.

3,4. ФАНТАСТИЧЕСКИЙ ПРОЕКТ «Отгадай задуманное»

(Каждая команда расшифровывает коллаж соперника)

Конверт 1.Составьте коллаж «Фермент» по плану:

• Химическая природа

• Специфичность

• Оптимальная рН среды

• Изменение структуры катализато­ра в ходе ре­акции

• Увеличение скорости реакции

Конверт 2. Составьте коллаж «Катализатор» по плану:

• Химическая природа

• Специфичность

• Оптимальная рН среды

• Изменение структуры катализато­ра в ходе ре­акции

• Увеличение скорости реакции

5. Конструктор «Механизм действия ферментов»

Смоделируйте механизм действия ферментов, используя конструктор LEGO

(Ферменты действуют в живых организмах по тем же законам, что и любые катализаторы. Ферментативный катализ основан на снижении энергетического барьера.

• Катализируя реакцию, фермент тесно сближает молекулы «своих» субстратов.

• Субстрат, присоединившись к ферменту, несколько изменяется.

• Фермент «отрывает» атом (или атомы) от каждого из субстратов, после чего субстраты соединяются.

• Отделившиеся атомы соединяются друг с другом и покидают фермент.

• Теперь фермент способен присоединить новые молекулы субстратов).

Подведение итогов. Выставление оценок

Рефлексия

Поурочная карточка

1. Известно, что скорость химических реакций при снижении температуры на 10°С уменьшается всего в 2–3 раза. Биохимики для большей стабильности анализируемых образцов хранят их при пониженной температуре. Тем не менее если у замерзающего человека температура тела падает хотя бы на 10°С, то это приводит к серьезным, часто необратимым последствиям. Нет ли здесь противоречия?

2. Из записных книжек Кифы Мокиевича: «Протеаза – фермент, расщепляющий пептидные связи в белках. Амилаза – фермент, расщепляющий гликозидные связи в углеводах. Известно, что все ферменты обладают крайне высокой специфичностью и подходят к субстрату, как ключ к замку. Раз субстраты у ферментов совпадают, то одинаковы и сами ферменты. Отсюда следует, что биохимикам достаточно изучить одну амилазу (скажем, из слюны человека) и одну протеазу (скажем, из стирального порошка) – ведь они идентичны!» Как бы вы могли возразить Кифе Мокиевичу?

3. Из тканей крысы был выделен некоторый фермент. Его раствор при +4°С сохраняет каталитическую активность на протяжении нескольких недель. После же того, как его поместили на 2 ч в термостат при +40°С, он утратил 50% активности. Верно ли, что еще через 2 ч он стал бы полностью неактивным? Но в теле крысы отнюдь не +4°С, а как раз +40°С. Так нужен ли ей такой нестойкий фермент?

4. Попробуйте составить список ферментов, необходимых для существования любой клетки. Если название того или иного фермента вам неизвестно, достаточно указать катализируемую им реакцию.

5. Экспериментатор, изучая скорость расщепления белка протеазой, обнаружил, что она с течением времени сначала выросла в несколько раз, а потом упала – до полной утраты активности фермента. Как можно объяснить эту закономерность? Какие протеазы, по вашему мнению, обладают таким свойством?

6. Почему активность фермента может зависеть от рН?

7. Какими способами клетка может управлять скоростями протекающих в ней химических процессов? А какими способами может регулировать скорости химических процессов организм человека?

8. Как вы понимаете «каталитический (ферментативный) конвейер в клетке»? В чем заключается преимущество конвейерного расположения молекул ферментов на мембране по сравнению со свободным, беспорядочным их положением в цитоплазме?