Роль ферментов в системе дыхания растений

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ 

Учреждение  образования

«МОЗЫРСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ  им. И.П. Шамякина» 

БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ 

КАФЕДРА ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ И ОХРАНЫ ПРИРОДЫ 

РОЛЬ  ФЕРМЕНТОВ В СИСТЕМЕ  ДЫХАНИЯ РАСТЕНИЙ

                                                   Курсовая работа

Специальность 1-02 04 04-03 Биология. Охрана природы 

Исполнитель:

студент 3 курса 1 группы                         Бобровская Виктория  Валентиновна

заочной формы  обучения 
 
 
 

Научный руководитель:

доктор биологических  наук,                      Валетов Валентин Васильевич

профессор 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

МОЗЫРЬ 2011

РЕФЕРАТ

Курсовая  работа:  44страницы, 5 таблиц, 3рисунока,  19 источников,                 1 приложение.

Ключевые  слова: ферменты, роль ферментов.

Цель  работы: определение влияния различных ферментов на развитие растительных организмов.

Методы  исследования: морфологические; химические; экологические; статистические.

Полученные  результаты и их новизна: изучено влияние фермента каталазы на различные растительные объекты .

Область применения: образование, сельское хозяйство. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                           ОГЛАВЛЕНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………4

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................6

    1.1 Ферменты. Классификация и свойства…………………………………...6

    1.2 Механизм  действия ферментов…………………………………………..16

ВЫВОДЫ………………………………………………………………………...20

ГЛАВА 2.  МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ……………..22

     2.1 Характеристика объекта и условий проведения исследования………..22

     2.2 Методика проведения исследования…………………………………….23

ГЛАВА 3.РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ АНАЛИЗ…………...25

    3.1Ферментативная  активность каталазы в различных растительных

          объектах…………………………………………………………………….25

    3.2 Биометрические показатели активности каталазы……………………....26

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….27

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..............................................................28

ПРИЛОЖЕНИЕ.....................................................................................................30 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                ВВЕДЕНИЕ 

     Непосредственно в процессе фотосинтеза (аутотрофная ассимиляция) образуются главным образом триозы (альдегиды и органические кислоты), гексозы и некоторые аминокислоты, а также ассимиляционный крахмал. Это далеко не все соединения, необходимые растению. Основная масса органических веществ различного назначения синтезируется в результате превращения продуктов аутотрофной ассимиляции. Последние в процессе дыхания (диссимиляция) подвергаются окислительному расщеплению и преобразуются в относительно простые, но химически активные промежуточные продукты и АТФ. Эти вещества и используются на синтез разнообразных сложных и видоспецифичных органических соединений (гетеротрофная ассимиляция; свойственна также животным организмам). Следовательно, диссимиляция и ассимиляция — это две взаимосвязанные стороны единого процесса — превращения веществ и энергии (метаболизм).

  Все реакции превращения веществ  катализируются ферментами. Ферментные системы работают по принципу саморегуляции и тем самым, с одной стороны, определяют относительное постоянство химического состава клеток и тканей организма (биохимический гомеостаз), а с другой — изменяют направленность биохимических превращений соответственно возрасту и внешним условиям.[1,с45]

  Органические  соединения составляют 94—99 % сухой  массы растения. По степени участия  в клеточном метаболизме они условно делятся на вещества основного и вторичного обмена. Первые (углеводы, белки, жиры, органические кислоты, нуклеотиды) многократно включаются в обмен веществ и служат субстратом дыхания или временно отводятся в запас (потенциальный источник пластических веществ и энергии). Вторые (несколько тысяч видов соединений — гликозиды, терпеноиды, пигменты, алкалоиды, фенольные соединения и т. д.) полностью или частично выключаются из обмена и обычно не являются источником ни пластических веществ, ни энергии. Тем не менее многие из них (фенольные соединения, порфирииы, терпеноиды и т. д.) выполняют специфические физиологические функции и обеспечивают приспособление растений к условиям среды.[1,с 56] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 

1. Ферменты. Классификация и  свойства

         Ферменты (энзимы). Во   всех   живых   организмах   присутствуют специфические белки, которые играют роль биологических катализаторов. Такие белки называются ферментами (энзимами).

      Химические реакции в живой клетке могут протекать при   определенной температуре, определенном давлении и определенной активной реакции среды.

    Но даже при наличии этих условий они протекали бы в клетке очень медленно без участия ферментов. Ферменты ускоряют ход реакции без изменения ее общего результата за счет снижения энергии активации, т.е. в их присутствии требуется значительно меньше энергии для придания реакционной способности молекулам.

  Все процессы в живом организме прямо или косвенно осуществляются с участием ферментов. Например, под их воздействием составные компоненты пищи (белки, углеводы, липиды и др.) расщепляются до более простых соединений, а из них уже затем синтезируются новые, свойственные данному виду, макромолекулы. Поэтому нарушение синтеза ферментов или недостаточная их активность нередко ведут к возникновению тяжелых болезней.[7,с 23]

  По  пространственной организации ферменты состоят из нескольких полипептидных цепей и обычно обладают четвертичной структурой. Кроме того, в состав ферментов могут входить и небелковые компоненты. Белковая часть носит название апофермент, а небелковая — кофактор (если это неорганическое вещество, например Zn²⁺, М.g²⁺ и т.д.) или кофермент (коэнзим) (если это низкомолекулярное органическое вещество).

  Предшественниками или составными частями многих коферментов  являются витамины. Так, например, пантотеновая кислота является составной частью коэнзима А, никотиновая кислота (витамин РР) — предшественником НАД и НАДФ и т.д.

  Ферменты  характеризуются необычайно высокой степенью специфичности, т.е. фермент катализирует только одну реакцию или действует только на один тип связи. Этим обеспечивается тонкая регуляция всех жизненно важных процессов (дыхание, пищеварение, фотосинтез и др.).

  В настоящее время принимается, что  окисление органических соединений в живых тканях протекает при  участии ферментных систем, осуществляющих активацию водорода и молекулярного кислорода, и ферментов, выполняющих роль промежуточных переносчиков водорода (электрона).

  Несколько слов об общих принципах организации  каталитического аппарата, с участием которого осуществляется процесс дыхания у растений — организмов, лишенных стабильной внутренней среды (парциальное давление О₂ и СО₂, температура и др.).

  Непостоянство, изменчивость факторов внешней среды  не могли не сказаться на ферментных системах дыхания и в первую очередь, естественно, на механизмах, осуществляющих заключительные его этапы — восстановление кислорода.

  Три принципиальные особенности характеризуют  структуру окислительного аппарата растений. Первой особенностью следует считать широкое использование принципа множественности (мульти-принцип) при построении окислительных систем у растений, в результате чего в растительной клетке имеется, как правило, не один, а несколько энзимов, катализирующих одни и те же или близкие по значению функции.

  Этим  обусловлена характерная для  растений динамичность, альтернативность путей, которыми осуществляются процессы биологического окисления, и изменяемость доли участия в последнем отдельных каталитических систем.[2,с134]

  Наличие альтернативных механизмов и путей  окислительного обмена играет исключительно  важную роль как фактор, расширяющий адаптивные возможности растения. Переключение этих механизмов обусловливает способность растений сохранять необходимый уровень и эффективность дыхательного процесса в непрерывно изменяющихся условиях внешней среды, включая и различные экстремальные воздействия.

  Второй  весьма важной особенностью окислительного аппарата растений является полифункциональность каталитических систем, т.е. наличие катализаторов, обладающих не одним, а несколькими свойствами.

  Третьей принципиальной особенностью следует считать рассредо-точенность, делокализованность окислительного аппарата. Как сейчас установлено, окислительными системами той или иной сложности и эффективности обладают практически все структурные компоненты протопласта.

  Перечисленные выше принципы лежат в основе построения всех групп ферментов, катализирующих процесс дыхания.

    Из экспериментальных данных современной биохимии, и физиологии растений следует, что для вовлечения молекулярного кислорода в окислительный обмен растительной клетки используются три типа механизмов.

1.Восстановление кислорода одно- или двухвалентными донорами. Ферменты, катализирующие такого вида реакции, относятся к группе оксидаз. Их активные центры содержат, как правило, атомы железа или меди, геминовую или флавиновую группировку.

2.Восстановление молекулярного кислорода двухвалентными 
донорами, сочетающееся с включением образующегося при этом 
продукта восстановления в окисляемую молекулу. Ферменты, осуществляющие эту реакцию, относятся к группе оксидаз со смешан 
ными функциями, называемыми еще гидроксилазами.

3. Непосредственное включение кислорода в молекулу окисляемого субстрата. Ферменты, осуществляющие такого рода реакции, именуются трансферазами или оксигеназами.[6,с54]

    Перечисленные выше три принципиальные возможности вовлечения кислорода в окислительный обмен были постулированы в свое время перекисной теорией А. Н. Баха и теорией В. И. Палладина.

    В соответствии со сказанным каждый из типов реакций взаимодействия с молекулярным кислородом катализируется большим числом ферментов, различающихся по химической структуре, природе кофакторов, кинетическим свойствам, а также по природе используемых ими источников электронов, температурным условиям, парциальному давлению О₂ и др., являющихся для их действия оптимальными.

    Весьма важным этапом в развитии учения об энзиматической природе дыхания явилось открытие гетерогенности белковых компонентов различных окислительных ферментов. Для большинства из них характерно наличие того или иного числа молекулярных форм белка, различающихся по электрофоретической подвижности (величина и знак заряда), субстратной специфичности, кинетическим параметрам и ряду других свойств. Компоненты эти известны как изозимы, или изоэнзимы.

      К первой группе ферментов, роль которых  состоит в активации 
и передаче водорода (электрона) дыхательного материала, относятся (дегидразы) дегидрогеназы.

  Эти ферменты характеризуются специфичностью к донору, водорода. 
Схема действия дегидрогеназ заключается в том, 
что активированный ими водород дыхательного материала (АН₂) 
переносится на акцептор (В):

дегидрогеназа 

АН₂ + В >А + ВН₂

Если количество акцептора недостаточно для связывания  всего водорода субстрата, то продолжение реакции возможно лишь при  условии, что наряду с восстановлением акцептора будет идти его регенерация (обратное окисление), что осуществляется с помощью  окислительных ферментов. 

     По характеру действия дегидрогеназы делятся на аэробные и анаэробные. Первые способны переносить водород  непосредственно на молекулярный кислород, вторые — только на какой-либо акцептор, причем роль последнего выполняется обычно какой-либо другой дегидрогеназой . Все дегидрогеназы являются двухкомпонентными ферментами — протеидами,  специфичность которых, как и всёх ферментов вообще, определяется природой белкового  носителя. По природе  простетических    групп дегидрогеназы делятся   на пиридиновые и аллоксазиновые (флавиновые).[5,с78]

    Группа ферментов, функция которых  состоит в активировании кислорода,  также многочисленна. Основная  роль в этой группе принадлежит Fе-протеидам. Это двухкомпонентные системы, простетическая часть которых по своей химической природе является Fе-порфирином. К группе Fе-порфиринов принадлежат также каталаза и пероксидаза, действие которых направлено на превращение перекиси водорода.

  Наряду  с ферментами, содержащими в простетической группе атом Fе, в растительных тканях весьма широко распространены оксидазы, содержащие медь (Сu-протеиды). Представителями этой группы ферментов являются полифенолоксидазы, также а с-корбинатоксидаза (аскорбиноксидаза).

  Полифенолоксидазы (называемые часто фенолоксидазами, фенолазами, катехолоксидазами) — ферменты, которые в присутствии молекулярного кислорода окисляют различные фенолы и их производные с образованием соответствующих хинонов.

  Полифенолы  представляют собой, по существу, одну из форм дыхательных хромогенов, постулированных  теорией Палладина. В окисленном состоянии они служат акцепторами  водорода (электронов). В интактной клетке в условиях нормального дыхания хиноны, возникающие при окислении полифенолов, тотчас же восстанавливаются за счет активируемого дегидрогеназами водорода и тем самым становятся способными вновь акцептировать кислород, затем вновь восстанавливаться и т. д.

  Оксигеназами называются ферменты, активирующие кислород с последующим включением его в молекулу субстрата. В отличие от других групп окислительных ферментов оксигеназы катализируют непосредственное взаимодействие кислородных атомов не с водородом, а с атомами углерода ароматического кольца. Флавиновые же и другие оксидазы восстанавливают молекулу кислорода с образованием перекиси. Существование оксидаз со смешанными функциями служит еще одним убедительным доказательством альтернативности путей активации кислорода.

  В настоящее время все более  упрочивается представление о том, что прямое включение кислорода  в органические молекулы представляет собой один из широко распространенных механизмов биологического окисления.

  Биологическое значение реакций, катализируемых оксигеназами, заключается, в основном, в том, что осуществляемое с их участием гидроксилирование бедных кислородом ароматических соединений повышает растворимость и реакционную способность последних, тем самым способствуя вовлечению этих соединений в общий метаболизм живой клетки.

       Окислительная система растений содержит многочисленную и разнообразную группу промежуточных переносчиков. Наряду с дегидрогеиазами, представляющими собой производные амида никотиновой кислоты, имеются дегидрогеназы, которые по своей химической природе относятся к производным рибофлавина (витамина В₂). Это двухкомпонентные системы, в которых специфический белок (апоэнзим) соединен с растворимым коэнзимом, представляющим собой нуклеотидные производные витамина В₂ (лактофлавин или рибофлавин). Специфика этих энзимов состоит в их способности передавать электроны непосредственно кислороду. Следовательно они функционально близки к оксидазам. Детальное изучение группы флавиновых ферментов показало что она состоит из разнородных компонентов, отличающихся между собой прежде всего по источнику используемого ими водорода. Так, некоторые флавопротеиды способны акцептировать водород непосредственно от окисляемого субстрата, тогда как другие — только от восстановленного НАД. В качестве представителя флавопротеидов первого типа заслуживает большого внимания сукцинатдегидрогеназа. Она строго специфична по отношению к янтарной кислоте, электроны которой она передает затем через систему промежуточных переносчиков.[18, с145]

   Вторая группа флавопротеидов гораздо более многочисленна. Эти дегидрогеназы не способны выполнять роль непосредственных акцепторов электронов дыхательного субстрата, так как могут получать только электроны, предварительно мобилизованные анаэробными дегидрогепазами. Окисляя восстановленные пиридиновые дегидрогеназы, они передают получаемые от последних электроны по цепи в направлении к кислороду. Флавиновые ферменты различаются и в отношении акцепторов, которым они способны передавать полученный водород (электроны). Такими акцепторами могут служить другие дегидрогеназы или окисленный цитохром, или, наконец, кислород. Флавопротеиды, способные переносить электроны на кислород, являются, по существу, настоящими оксидазами (например, глюкозооксидаза, оксидаза  d-аминокислот и др.). В результате действия этих ферментов образуется перекись водорода, кислород которой используется пероксидазой.

    К флавопротеиновым ферментам, содержащим в качестве простетической группы ФМН, относится также оксидаза гликолевой кислоты— специфический фермент, найденный П. А. Колесниковым в зеленых листьях. Из листьев табака Зелитч выделил в кристаллическом виде специфическую редуктазу глиоксилевой кислоты, т. е. соединение, которое образуется при окислении гликолевой кислоты. Восстановление идет при участии НАД:

                                                             оксидаза

СН₂ОНСООН +O₂ -----------»СНОСООН + Н₂0₂

Гликолевая кислота                  Глиоксилевая кислота

                                 редуктаза

CHOCOOH  +НАДН₂«=======» CH₂OHCOOH+ НАД

Глиоксилевая кислота                Гликолевая  кислота                           

       Видно, что система гликолевая кислота - глиоксилевая кислота может функционировать как обратимая окислительно-восстановительная подобно системе фенолы-хиноны. Особо важная роль принадлежит, по-видимому, этой системе в дыхании листьев на свету. Флавинадениндинуклеотид является коэнзимом двух весьма важных ферментов: оксидазы d-аминокислот и глюкозооксидазы.

Оксидаза  d-аминокислот осуществляет окислительное дезаминирование d-аминокислот.

  Глюкозооксидаза осуществляет окисление свободной  глюкозы с образованием глюконовой кислоты. Наличие этой аэробной дегидрогеназы  достоверно установлено у некоторых  плесневых грибов. Не исключено присутствие  фермента в тканях высших растений. Глюкозооксидаза строго специфична к субстрату: она способна окислять только d-глюкозу. В этом отношении она сильно отличается от недавно обнаруженной d-гексозооксидазы, которая способна наряду с d-глюкозой окислять и другие гексозы, а также ряд редуцирующих дисахаридов (мальтоза, лактоза, целлобиоза) с образованием соответствующих альдоиовых кислот. Существуют и другие металлофлавиновые ферменты, в числе которых и открытые в последние годы — углеводоксидаза, гексозооксидаза, алькоголь-оксидаза, ксантиноксидаза, оксалатоксидаза и др.[16, с234]

  Особого внимания заслуживает нитратредуктаза, с участием которой осуществляется важнейший в жизни растений процесс  восстановления окисленного, нитратного азота. (Нитратредуктаза в качестве простетической группы содержит ФАД.)

  Хинонредуктаза  переносит водород от восстановленных  пири-диннуклеотидов (НАДН₂ и НАДФН₂) к соответствующим хинонам, главным образом, нафтохинонам и бензохинонам. Идея о биологической роли хинонов в качестве переносчиков водорода в дыхательном процессе была обоснована работами А. Н. Баха и В. И. Палладина. Таким образом, хинонредуктаза может функционировать в дыхательной цепи сопряженно с пероксидазой и полифенолоксидазой.

  Очень широко распространена в растительных тканях глутатионредуктаза,  простетической группой которой является ФАД. Наибольшая активность глутатионредуктазы наблюдается в тканях проросших семян.

  Большую роль, которую в качестве катализаторов  остаточного дыхания выполняют цитохромы группы b. В настоящее время у высших растений обнаружено около 10 цитохромов b, причем доказано, что каждый из представителей является специфическим гемопротеи-дом.

  В целом цитохромы группы b характеризуются высоким сродством к кислороду. Согласно Чансу они служат связующим звеном между ферментами, осуществляющими быстрые реакции окисления, и флавиновыми энзимами, катализирующими медленно протекающий транспорт электронов.

  Так, из ферментов, локализованных в митохондриях, заслуживает внимания самоокисляющийся  цитохром b₇, активность которого полностью сохраняется в присутствии таких классических ингибиторов железопротеидов, как КСN и СО. Он широко распространен в растениях и, несомненно, играет ключевую роль во всех случаях, когда транспорт электронов через цитохромоксидазу блокирован цианидом. Например, исключительно высокое резистентное дыхание, которое характерно для растений семейства ароидных, обусловлено именно повышенным содержанием в их тканях цитохрома b₇. Большой интерес представляет цитохром b₅, который на 80% состоит из флавопротеида. Он легко восстанавливается многими агентами, в числе которых восстановленный НАД: цитохром b₅-оксидоредуктаза. Этот факт очень важен, так как указывает на прямую связь цитохрома b₅ с окислением пиридиновых дегидрогеназ.

  Результаты  кинетических исследований позволяют  считать, что цитохром b₅ расположен в ЭТЦ дыхания между флавопротеидом и цитохромом Р₄₅₀. Имеются основания считать, что через систему цитохром b₅-редуктазы осуществляется связь дыхательной цепи митохондрий с таковой микросом.

  Цитохром  b₅₅₅, по-видимому, локализован в микросомах, в которых, по последним данным, содержится и цитохром b₃.

  Цитохром  b₃ также связан с окислительно-восстановительными превращениями дегидрогеназ и может взаимодействовать с кислородом.

  Обычным спутником цитохрома b₅₅₅ является цитохром Р₄₅₀, который характеризуется весьма активным участием в реакциях перекисного окисления. В осуществляемом цитохромом Р₄₅₀ транспорте электронов основная роль в качестве центра связывания железа принадлежит SН-группе. Результаты работ последних лет подчеркивают исключительную биологическую роль цитохрома Р₄₅₀. Доказано, что он является обязательным участником практически всех реакций гидроксилирования, протекающих в органоидах микросомальной фракции. С участием цитохрома Р₄₅₀ осуществляются реакции окисления высокомолекулярных углеводородов жирных кислот. Важнейшей функцией этого цитохрома является обезвреживание токсического действия лекарственных и других чуждых организму соединений (барбитураты и их производные, различные гербициды, пестициды, инсектициды и т.п.).

  Действие  цитохрома Р₄₅₀ сопряжено с восстановленным НАДФ, за счет электронов которого происходит восстановление окисленного пигмента. Редуцированный цитохром реагирует с кислородом. В хлоропластах содержатся цитохромы b₆ и f, а также цитохром b₅₅₉, которые являются важнейшими компонентами ЭТЦ фотосинтеза.[8,с 198]

  К ферментным системам, участвующим в  окислительно-восстановительных превращениях дыхательного материала, следует отнести карбоксилазы. Это двухкомпонентные ферменты, активная группа которых представляет собой фосфорный эфир тиамина (витамин В).

  Карбоксилазы  катализируют отщепление СО₂ от различных органических кислот (кетокислоты, аминокислоты и др.), в результате чего образуются соединения с укороченной углеродной цепью. 
 

1.2Механизм действия ферментов

    Механизм действия ферментов объясняет теория активного центра. Согласно ей, в молекуле каждого фермента имеется один или более участков, в которых происходит тесный контакт между молекулами фермента и специфического вещества (субстрата) (рис. 1).

   Активным центром выступает функциональная группа, отдельная аминокислота либо сочетание нескольких (в среднем от 3 до 12), расположенных в определенном порядке аминокислотных остатков. Форма и химическое строение активного центра таковы, что с ним могут связываться только определенные субстраты в силу идеального соответствия их пространственных структур (как ключ и замок). Вокруг крупной молекулы фермента возникает сильное электрическое поле, в котором становится возможной определенная ориентация молекул субстрата и их деформация. Это приводит к ослаблению химических связей, и катализируемая реакция происходит с меньшей начальной затратой энергии, а следовательно, с намного большей скоростью. Например, одна молекула фермента каталазы может расщепить за 1 мин более 5 млн молекул пероксида водорода (Н₂0₂), который возникает при окислении в организме различных соединений.