Учебно-методическое пособие к лабораторным работам по общей химии ставрополь 2005 удк 546(07. 07) Учебно-методическое пособие к лабораторным работам по общей химии. / В. И. Гончаров, Л. И. Еременко, Т. А. Милащенко и др
Скачать 3.96 Mb.
|
Контроль на выходе: показать преподавателю результаты выполненных работ, уметь их объяснить. 4. Библиографический список: 1. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов. Учеб. для мед. спец. вузов. /Ю. А. Ершов, В. А. Попков, А. С. Берлянд и др. Под ред. Ю. А. Ершова - М.: Высшая школа, 2003.
2. Основные теоретические положения 2.1. Ферментативный катализ Реакции, катализируемые ферментами, обычно характеризуются очень сильным ускорением (порядка 104-105 раз) и высокой специфичностью (под специфичностью понимают способность ферментов ускорять реакцию только между вполне определенными веществами, называемыми субстратами). Исследования Самнера (1926 г) доказали, что все ферменты представляют собой белковые молекулы. Обычно ферменты содержат один или несколько активных центров, где и происходит превращение субстратов. Структура активного центра может быть образована всего несколькими аминокислотными остатками. Остальная часть белка, возможно, необходима для поддержания структурной целостности этой рабочей части. Фишер в 1890-х годах предположил, что специфичность ферментов можно уподобить соответственно между ключом и замком. При этом подразумевается, что активный центр имеет жесткую структуру, подобно замку. Молекула субстрата должна иметь комплементарную структуру, чтобы входить в активный центр, подобно ключу. Однако, как показали исследования, в ряде случаев гипотеза Фишера не может объяснить некоторые факты. Для того, чтобы привести эту теорию в соответствие с опытными данными, Кошланд несколько видоизменил модель "ключ-замок". Согласно его гипотезе субстрат, присоединяясь к активному центру, изменяет его форму, обеспечивая таким образом идеальное их соответствие. Иными словами, функциональные группы в активном центре принимают специфическую пространственную конфигурацию только тогда, когда их вынуждает к этому присутствие субстрата. Так, образование фермент-субстратного комплекса может происходить за счет электрически заряженных группировок как на ферменте, так и на субстрате. Такими группировками могут быть RCOO" или RNH3+ и др. В результате подобного взаимодействия в субстрате могут происходить определенные химические изменения, выражающиеся в образовании новых функциональных групп с совершенно иными полярными свойствами. После реакции фермент и субстрат как бы отталкиваются друг от друга и фермент вновь готов вступить во взаимодействие с другой молекулой субстрата. Химически измененный субстрат отщепляет продукт реакции. Таким образом, специфичность фермента обусловливается его конфигурацией, строением и электрическими свойствами активной группы фермента. Из измерения скорости ферментативной реакции удается определить удельную активность фермента, которая выражается в единицах активности на миллиграмм белка. Одна единица активности определяется как активность фермента, превращающего 1 мкмоль субстрата в минуту. При изучении кинетики ферментативных процессов обычно измеряют начальные скорости реакции -это достигается путем варьирования только концентрации субстрата, тогда как все остальные условия опыта поддерживаются постоянными. В 1913 году Михаэлисом и Ментен была предложена теория, объясняющая зависимость начальной скорости от концентрации субстрата и выведено уравнение (вывод уравнения см. в учебнике М. И. Равич-Щербо): V = V [S]/(KS + [S]), где V -скорость реакции, V - максимальная скорость, Ks - константа диссоциации фермент-субстратного комплекса, [S] - концентрация субстрата. Уравнение Михаэлиса-Ментен показывает, что при большей концентрации субстрата [S] и низком значении Ks скорость реакции будет равна максимальной скорости, т. е. V=Vmax, это в реакциях нулевого порядка; в случае малой концентрации субстрата скорость реакции будет прямо пропорциональна его концентрации в каждый данный момент (реакция первого порядка), т.е.: V=V'[S]/KS. VA неизменными после реакции, т. е. освобождаются и вновь могут реагировать с новыми молекулами субстрата. Ферменты оказывают свое действие в ничтожно малых концентрациях (например, одна молекула фермента реннина, содержащегося в слизистой оболочке желудка теленка, створаживает около 106 молекул казеиногена молока за 10 минут при 37°С). Наличие либо отсутствие фермента или любого другого катализатора не оказывает влияния как на изменение свободной энергии (AG), так и на величину константы равновесия. Катализаторы лишь повышают скорость, с которой система приближается к термодинамическому равновесию, не сдвигая точки равновесия. Химические реакции с высокой константой равновесия и отрицательной величиной AG принято называть экзэргоническими. Реакции с низкой константой равновесия и соответственно положительной величиной AG (они обычно не протекают спонтанно) называются эндэргоническими. Для начала и завершения этих реакций необходим приток энергии извне. Однако в живых системах экзэргонические процессы сопряжены с эндэргоническими реакциями, обеспечивая последние необходимым количеством энергии (см. раздел "Термодинамика"). Ферменты, будучи белками, обладают рядом характерных для этого класса органических соединений свойств, отличающихся от свойств неорганических катализаторов. 2.2. Термолабильность ферментов Все жизненные процессы протекают в узком температурном интервале, за пределами которого наступает смерть. Обычно это интервал температур от 0°С до45-50°С. Кривая зависимости скорости биологических процессов от температуры имеет три точки: минимум, оптимум и максимум. От минимума до оптимума интенсивность процессов увеличивается. Температурный оптимум у животных колеблется в пределах 35-40°С, у растений - он выше. Интервал от оптимума до минимума характеризуется уменьшением скорости протекания процессов. Температурные границы жизни обусловлены денатурационными изменениями белков и инактивацией ферментов. Ферментативные процессы характеризуются более высокими значениями температурных коэффициентов (у = 7-10), в особенности в процессах денатурации белка. Для ферментативных реакций интервал в 10° оказывается слишком широким для того, чтобы заметить изменения в механизме процесса. Поэтому для ферментативных процессов рекомендуется брать более узкий интервал температур (2°, 3°, 5°) и полученные результаты приводить к величине у по формуле: lg у10 = 10 -(lg k2 - lg к1)/(Т2 - TJ. Зависимость активности ферментов от рН среды приведена на рис. 11. Ферменты обычно проявляют свою активность при определенных значениях рН среды. Так, пепсин (рН 1,5-2,5), амилаза слюны (рН 6,8-7,0), каталаза (рН 6,8-7,0), липаза панкреатическая (рН 7,0-8,5). При графическом изображении (рис.11) получается кривая колоколообраз-ной формы, на которой имеется определенная точка, в которой фермент проявляет максимальную активность. Эту точку называют оптимумом рН среды для действия данного фермента. Согласно современным представлениям, влияние изменения рН среды на молекулу фермента заключается в воздействии на состояние или степень ионизации кислотных или основных групп (в частности, СООН-группы дикарбоновых аминокислот, SH-группы цистеина, имидазольного азота гистидина, NH2-rpynnbi лизина и др.). При разных значениях рН среды активный центр может находиться в частично ионизированной или неионизированной форме, что сказывается на третичной структуре белка и, соответственно, на формировании активного фермент-субстратного комплекса. 2.3. Активирование и ингибирование ферментов Скорость ферментативной реакции, иными словами, активность фермента определяется также присутствием в среде активаторов и ингибиторов. Первые повышают скорость реакции и иногда модифицируют ее, вторые - тормозят реакцию. Среди химических соединений, оказывающих влияние на активность ферментов, встречаются разнообразные вещества. Так, хлороводородная кислота активизирует действие пепсина, желчные кислоты - панкреатической липазы, некоторые тканевые ферменты (оксидоредуктазы, катепсины и др.) в значительной степени активизируются соединениями, содержащими свободные SH-группы (глутатион, цистеин), а некоторые также витамином С. Особенно часто в качестве активаторов выступают ионы двухвалентных и иногда одновалентных металлов. Относительно роли металлов в активирующем действии ферментов имеющиеся данные свидетельствуют о том, что в ряде случаев ионы металлов (Со2+, Mg2+, Zn2+, Fe2+) выполняют функции простетических групп ферментов. В других случаях они способствуют присоединению субстрата к активному центру и образованию фермент-субстратного комплекса. Например, ионы Mg2+ через отрицательно заряженную группу обеспечивают присоединение органических веществ к активным центрам ферментов, катализирующих гидролиз. В ряде случаев металл соединяется с субстратом, образуя истинный субстрат, на который действует фермент. В частности, ионы Mg2+ активируют креа-тинфосфокиназу, благодаря образованию истинного субстрата и магниевой соли АТФ. Наконец, имеются экспериментальные доказательства прямого участия металлов (например, ионов Са2+ в молекуле амилазы слюны) в формировании и стабилизации активного центра и всей третичной структуры молекулы фермента. Ингибиторами принято называть вещества, вызывающие частичное или полное торможение реакций, катализируемых ферментами. Поскольку ферменты являются белками, любые агенты, вызывающие денатурацию белка (нагревание, кислоты, щелочи, соли тяжелых металлов) приводят к инактивации фермента. Однако, подобное инактивирование относительно неспецифично. Оно не связано с механизмом действия ферментов. Гораздо большую группу составляют так называемые специфические ингибиторы, которые оказывают свое действие на один какой-либо фермент или на группу родственных ферментов. Ингибиторы нашли широкое применение в этимологии при исследовании природы множественных форм ферментов и изоферментов, отличающихся не столько электрофоретической подвижностью, сколько различием реакций на один и тот же ингибитор. При помощи ингибиторов, избирательно включающихся в отдельные стадии многоступенчатого метаболического процесса, могут быть точно установлены последовательность химических реакций и природа участвующих ферментов. В частности, этим путем при применении йодацетата, фторида и др. ингибиторов был расшифрован гликолитический путь окислительно-восстановительных превращений глюкозы до молочной кислоты в мышечной ткани, насчитывающий 11 стадий с участием 11 ферментов и 10 промежуточных метаболитов. На ингибировании ферментов основан механизм действия многих токсинов и ядов на организм. Так, известно, что при отравлениях синильной кислотой смерть наступает вследствие полного торможения дыхательных ферментов (цитохромоксидазы), в особенности клеток мозга. Токсическое влияние на организм человека и животных некоторых инсектицидов обусловлено торможением активности холинэстеразы - фермента, играющего первостепенную роль в деятельности нервной системы. Рациональная химиотерапия - осознанное применение лекарственных препаратов в медицине. Она должна опираться на точное знание механизма их действия на биосинтез ферментов. Иногда метод лечения болезней человека включает применение избирательных ингибиторов. Так, ингибитор трипсина и хемотрипсина, трасилол широко используется при лечении острого панкреатита. Избирательное ингибирование ферментов некоторых природных и синтетических соединений (так называемых антиметаболитов) в настоящее время служат основой для разработки эффективных методов синтеза химиотерапевтических препаратов. Обычно различают обратимое и необратимое ингибирование. Если молекула ингибитора вызывает стойкие изменения или модификацию функциональных групп фермента, то такой тип ингибирования называется необратимым. Чаще, однако, имеет место обратимое ингибирование, поддающееся количественному изучению на основе уравнения Михаэлиса-Ментен. Обратимое ингибирование в свою очередь разделяют на конкурентное и неконкурентное, в зависимости от того, удается или не удается преодолеть торможение ферментативной реакции путем увеличения концентрации субстрата. Во втором случае повышение концентрации субстрата не изменяет степень ингибирования фермента. Конкурентное ингибирование может быть вызвано веществами, имеющими структуру, похожую на субстрат, но немного отличающуюся. Так, торможение активности сукцинатдегидрогеназы малоновой кислотой, является примером такого ингибирования. Этот фермент катализирует окисление путем дегидрирования янтарной кислоты в фумаровую в соответствии со схемой (рис. 12). Если в среду добавить малоновую кислоту (ингибитор), то в силу структурного сходства ее с истинным субстратом - янтарной кислотой (наличие двух таких же ионизированных карбоксильных групп), она будет реагировать с активным центром с образованием фермент-ингибиторного комплекса (рис. 13). Однако при этом перенос водорода от малоната не происходит. Так как структуры субстрата - янтарной кислоты и ингибитора - малоната все же несколько сближаются, они конкурируют за связывание с активным центром, и степень торможения будет определяться соотношением концентраций малоната и сукцината, а не абсолютной концентрацией ингибитора. Метод конкурентного торможения нашел широкое применение в медицинской практике. Известно, например, что для лечения некоторых инфекционных заболеваний, вызываемых бактериями, применяют сульфаниламидные препараты. Оказалось, что эти препараты имеют структурное сходство с параамино-бензойной кислотой, которую бактериальная клетка использует для синтеза фолиевой кислоты, являющейся составной частью ферментов бактерий. Благодаря этому структурному сходству сульфаниламид, например, блокирует действие фермента путем вытеснения парааминобензойной кислоты из комплекса с ферментом, синтезирующим фолиевую кислоту, что ведет к торможению роста бактерий. -оос D СИ -оос малонат Рис. 13. Блокирование активного центра фермента янтарной кислотой образованием фермент-ингибиторного комплекса. Неконкурентные ингибиторы обычно не связываются с активным центром фермента, т. к. не имеют структурного сходства с субстратами и часто связываются в другом месте с ферментом. При данном типе ингибирования, благодаря образованию стабильной ковалентной связи, фермент часто подвергается полной инактивации и тогда торможение становится необратимым. Примером неконкурентного ингибирования (инактивации) является действие йодацетата, синильной кислоты и других веществ, заключающееся в связывании и выключении функциональных групп или ионов металлов в молекуле фермента: ингибитор образует ковалентную связь с ферментом и не может быть удален диализом и другими методами. 3. Лабораторные работы 3.1. Сравнительное действие неорганических и биологических катализаторов 3.1.1. Кислотный гидролиз крахмала Поместите в пробирку 10 капель 0,1% раствор крахмального клейстера. Добавьте 2 капли раствора H2S04, с концентрацией С — 2 моль/л и поставьте пробирку на водяную баню, сделав предварительную метку на пробирке. Через 20 минут обратите внимание на то, что мутный раствор клейстера перестал опалесцировать (стал прозрачным). С помощью пипетки нанесите 1 каплю гидролизата на предметное стекло и добавьте 1 каплю раствора йода в йодистом калии. Для получения такого раствора 1 каплю раствора йода в йодистом калии поместите в отдельную пробирку, и долейте ее до верха водой, чтобы получился светло-желтый раствор. Сохраните его для последующих опытов. Отсутствие сине-фиолетового окрашивания от очень разбавленного раствора йода укажет на отсутствие крахмала. Убедившись в отсутствии крахмала, добавьте к продукту гидролиза, оставшемуся в пробирке, избыток щелочи - 8 капель раствора NaOH с концентрацией С = 2 моль/л для создания щелочной среды и 1 каплю раствора CuS04 с концентрацией С = 0,2 моль/л. Образуется синее окрашивание. Нагрейте верхнюю часть пробирки до кипения, синий цвет переходит в желтовато-красный (проба Троммера положительная). Это указывает на то, что произошла реакция гидролиза крахмала под действием неорганического катализатора - серной кислоты. |
Похожие:
 | Практикум по общей химии Москва 2013г Лабораторный практикум по общей химии Методическое пособие предназначено, в первую очередь, для студентов факультета инженерной механики, изучающих курс общей химии в... |  | Лабораторная работа эффект Мёссбауэра Зеленодольск 2007 Печатается... Методическое пособие предназначено для студентов третьего курса физико-математического факультета Зеленодольского филиала кгу, специализирующихся... |
| Методическое пособие для студентов геолого-географического факультета... Учебно-методическое пособие разработано доцентом кафедры общей географии, краеведения и туризма В. Г. Еременко | | Методическое пособие по курсу «Картография» для студентов специальностей... Учебно-методическое пособие разработано доцентом кафедры общей географии, краеведения и туризма В. Г. Еременко, доцентом кафедры... |
| Лекция 8 Географические атласы Учебно-методическое пособие разработано доцентом кафедры общей географии, краеведения и туризма В. Г. Еременко | | В. Т. Жуков социально-экономическая картография Учебно-методическое пособие разработано доцентом кафедры общей географии, краеведения и туризма В. Г. Еременко |
| Методическое пособие к теме "диаграмма состояния железо-углерод"... Методическое пособие разработано кандидатами химических наук, доцентами кафедры общей и неорганической химии С. Н. Свирской и И.... | | Лабораторная работа №1 Шатило С. П., Ковалев А. Ю. Методическое руководство к лабораторным работам по курсу «Технология конструкционных материалов» |
| Учебно-методическое пособие для студентов специальность 050144 Дошкольное... Данное учебно-методическое пособие адресовано студентам педагогического колледжа и имеет цель оказать помощь в подготовке к зачету... | | Учебно-методическое пособие Тольятти 2011 удк ббк ахметжанова Г.... Учебно-методическое пособие предназначено для студентов магистров, обучающихся на педагогическом факультете тгу по направлению «Педагогика».... |
| Методическое пособие для самостоятельной работы студентов по подготовке... Методическое пособие для самостоятельной работы для студентов по подготовке к контрольным и курсовым работам и рейтинг программа... | | 2 Естественные науки (естествознание) 20. 1 Человек и окружающая... Учебно-методическое пособие разработано доцентом кафедры общей географии, краеведения и туризма В. Г. Еременко, доцентом кафедры... |
| Тема: «Форма и размеры Земли. Движение Земли. Смена дня и ночи» Учебно-методическое пособие разработано доцентом кафедры общей географии, краеведения и туризма В. Г. Еременко, доцентом кафедры... | | Учебно-методическое пособие Красноярск сфу 2012 удк 504. 004. 4 (07) ббк 28. 0я73 Экологическая информатика: учебно-методическое пособие [Текст] / сост. М. А. Субботин. – Красноярск: Сиб федер ун-т, 2012. – 9 с |
| Учебно-методическое пособие самара 2005 удк 657 Рецензенты Учебное пособие предназначено для студентов заочного отделения Международного института рынка, обучающихся по специальности «Финансы... | | Учебно-методическое пособие / О. Н. Углицких, И. И. Глотова, Е. П.... Учебно-методическое пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки 080300. 68 «Финансы и кредит» очной... |
