Цель. Комплексное изучение биохимической природы ферментов.
Задачи . Развивать знания учащихся о свойствах, классификации и значении ферментов; раскрыть сущность механизма действия ферментов; реализовать межпредметные связи; развивать познавательный интерес путем выполнения лабораторного опыта.

План урока
1. Проверка знаний учащихся (интегрированный зачет по теме «Белки»).
2. Изложение нового материала:

• Ферменты.
• Свойства ферментов.
• Механизм действия ферментов.
• Номенклатура ферментов.

3. Лабораторный опыт «Открытие фермента каталазы».
4. Вопросы для закрепления (фронтальный вопрос).

ХОД УРОКА

1. Проверка знаний учащихся

В начале урока проводится интегрированный письменный зачет по теме «Белки». Работа с заданиями-измерителями по карточкам.

2. Изложение нового материала

Ферменты (энзимы) – это специфические белки глобулярной природы, которые присутствуют во всех живых организмах и играют роль биологических катализаторов. (Вспомнить, что такое катализаторы.)
Свойства ферментов . Рассмотрим действие ферментов как биокатализаторов на примере реакции, знакомой всем владельцам кошек. Речь идет о разложении мочевины, содержащейся в кошачьей моче, на диоксид углерода и аммиак. (Именно аммиаком пахнет кошачий ящик с песком, если песок в нем долго не менять.) Эта реакция катализируется ферментом уреазой. В присутствии уреазы скорость реакции превосходит нормальную во много триллионов раз:

Одна молекула уреазы за 1 секунду расщепляет до 30 000 молекул мочевины. Не будь катализатора, на расщепление потребовалось бы примерно 30 млн лет. Ферментам свойственна высокая активность, но она меняется в зависимости от рН (концентрации ионов водорода), температуры, давления.
Специфичность ферментов состоит в том, что каждый из них действует только на одну реакцию (например, уреаза расщепляет только мочевину). Фермент обладает способностью различать среди множества молекул именно те, которые должны вступать в реакцию, – эти молекулы называют субстратом (S). В контакт с субстратом вступает лишь очень небольшая часть молекулы фермента (3–5 аминокислотных остатков). Эта часть – активный центр фермента (рис. 1).

Рис. 1. Захват молекулы субстрата активным центром фермента (показан пронумерованными кружками)

Механизм действия ферментов. Взаимодействие субстрата (S) c ферментом впервые изучил немецкий ученый Эмиль Фишер. Он высказал гипотезу (1880), согласно которой субстрат подходит активному центру фермента как «ключ к замку» (рис. 2).

Рис. 2. Схема каталитического действия фермента с образованием фермент-субстратного комплекса

Образовавшиеся продукты по форме уже не соответствуют активному центру. Они отделяются от «замка» фермента и поступают в окружающую среду, после этого освободившийся активный центр может принимать новые молекулы субстрата.

Названия ферментов производят от названий субстратов, на которые они действуют, по схеме: тип катализируемой данным ферментом реакции + название одного из продуктов реакции (или одного из ее участников) с прибавлением окончания -аза.
Окончание -аза служит для обозначения ферментной природы. Например: фермент гликозидаза участвует в реакциях гидролиза гликозидных связей в сахарах; трансаминазы₂ от аминокислот к различным -кетокислотам. Молочная оксидаза (другое название – дегидрогеназа) катализирует превращение молочной кислоты в уксусную: способствуют переносу группы NH

Тип реакции аланина с 2-оксоглутаровой кислотой в присутствии фермента трансаминазы – транспорт аминогруппы (рис. 3). Название фермента: 2-оксоглутаратаминотрансфераза.

Рис. 3. Реакция переноса группы NH2 от аланина к 2-оксоглутаровой кислоте

Вывод. По названию фермента можно понять сущность реакции.

3. Лабораторный опыт
«Открытие фермента каталазы»

Цель. Доказать присутствие ферментов в животных и растительных клетках.
Оборудование и реактивы . Штатив с пробирками, микроскоп, предметное стекло, лучинка, спички; стакан с Н₂О₂ (3%-й р-р), песок, ткани растительные и животные.

Ход работы

Задание 1. Преобразовать текст по характеристике фермента каталазы в тезисы.
Ферменты содержатся в каждой животной и растительной клетках. Большая часть ферментов связана с определенными клеточными структурами (ядро, цитоплазма, пластиды, лизосомы и т. д.), где и осуществляется их функция. Каталаза содержится в микротельцах (пероксисомах). Эти тельца имеют овальную форму, зернистую структуру, находятся в цитоплазме (рис. 4).

Фермент каталаза катализирует расщепление пероксида водорода с образованием молекул воды и кислорода:

Расщепляя Н₂О₂, каталаза играет защитную роль. Она обезвреживает ядовитое вещество (пероксид водорода), которое непрерывно образуется в клетке в процессе жизнедеятельности. Активность фермента очень высока: при 0 °С – 1 молекула катализатора разлагает за 1 секунду до 40 000 молекул Н₂О₂.

Задание 2. Выполнить практическую часть.

1. Прилейте по 2 мл Н₂О₂ в пять пробирок с:
а) сырой печенью;
б) вареной печенью;
в) сырым картофелем;
г) вареным картофелем;
д) песком.
2. На предметное стекло в каплю воды положите лист элодеи и рассмотрите его под микроскопом.
3. Нанесите на лист элодеи две капли пероксида водорода и под микроскопом наблюдайте бурное выделение пузырьков кислорода из клеток листа элодеи.
4. Заполните таблицу. Ответьте на вопросы.

• Чем обусловлено расщепление пероксида водорода в пробирках с кусочками сырой печени, сырого картофеля и при действии пероксида водорода на лист элодеи?
• Какие уровни организации молекулы белка-фермента каталазы разрушаются при варке картофеля и печени в нашем опыте и разрыв каких молекулярных связей привел к денатурации этого белка?
• Почему расщепление пероксида водорода в пробирках с кусочками вареного картофеля и печени, а также в пробирке с песком не наблюдалось?

Сказ о дележе наследства

Умирал старый араб. Все его богатство состояло из 17 прекрасных белых верблюдов. Он собрал своих сыновей и объявил им свою последнюю волю: «Мой старший сын, опора семьи, должен получить после моей смерти половину верблюдов. Среднему сыну я завещаю треть всех верблюдов. Но и мой младший, любимый сын должен получить свою долю — одну девятую часть стада».
Сказав это, старый араб умер. Похоронив отца, три брата стали делить верблюдов. Но исполнить волю отца они не смогли: невозможно было разделить 17 верблюдов ни пополам, ни на три части, ни на девять частей. Но тут через пустыню проходил дервиш. Бедный, как все ученые, он вел с собой черного облезлого верблюда, нагруженного книгами. Братья обратились к нему за помощью. И дервиш сказал: «Выполнить волю вашего отца очень просто. Я дарю вам моего верблюда, а вы попробуйте разделить наследство». У братьев оказалось 18 верблюдов, и все разрешилось. Старший сын получил половину верблюдов – 9, средний – треть стада – 6 и младший сын получил свою долю – двух верблюдов.
Но 9, 6 и 2 дают 17, и после дележа оказался лишний верблюд — старый облезлый верблюд ученого. И дервиш сказал: «Отдайте мне назад моего верблюда за то, что я помог разделить вам наследство, а то мне придется самому тащить книги через пустыню».
Вот этот черный верблюд и подобен ферменту. Он сделал возможным такой процесс, который без него был бы немыслим, а сам остался без изменений. Это действительно основное свойство ферментов, да и вообще всякого катализатора. Ферменты – это прежде всего катализаторы.

Таблица

Результаты эксперимента

4. Вопросы для закрепления

Теперь вспомним, о чем шла речь на сегодняшнем уроке.

1. Что такое ферменты?
2. Перечислите свойства ферментов.
3. В чем выражается специфичность ферментов?
4. Что лежит в основе механизма взаимодействия субстрата и фермента?
5. Каковы принципы номенклатуры ферментов?
6. Назовите классы ферментов и укажите реакции, которые они катализируют.
7. В чем сходство и отличие фермента и гормона?