CC BY
418
УДК 577.15 ББК 28.072
КАТАЛАЗА КАК ПРЕДСТАВИТЕЛЬ БИОЛОГИЧЕСКИХ КАТАЛИЗАТОРОВ И ЕЕ АКТИВНОСТЬ В РАЗНЫХ СОРТАХ КАРТОФЕЛЯ
В.В. КОСТЕРИНА, ФГБОУ ВО "Псковский государственный университет", Псков, Россия
e-mail: [email protected]
Аннотация
В статье рассматриваются биологические катализаторы - ферменты, приводится их классификация, состав. Особое внимание уделено каталазе, относящейся к классу оксидоредуктаз. Автор останавливается на ее строении, значении для организма человека, а также сферах применения в пищевой и фармацевтической отраслях промышленности. Кроме того, в статье приведены способы определения активности каталазы. Статья содержит экспериментальные данные, полученные автором в результате определения активности каталазы в различных сортах картофеля
Ключевые слова: ферменты, классы ферментов, оксидоредуктазы, каталаза, активность каталазы, картофель, каталаза в картофеле.
Актуальность. Ферменты - это высокоспециализированные белки, являющиеся биологическими катализаторами. Несмотря на то, что ферменты, как и неорганические катализаторы, выполняют одну и ту же функцию - ускорение протекания химических реакций без расходования в процессе реакции, они имеют ряд особенностей:
- скорость ферментативных реакций выше, чем реакций, катализируемых небелковыми катализаторами;
- ферменты обладают высокой специфичностью;
- ферментативная реакция происходит в клетке, т.е. при температуре 37оС, постоянном давлении и физиологическом значении рН;
- скорость ферментативной реакции может регулироваться [1].
Ферментам, как белковым молекулам, свойственны все функции белков. Также как и белки их делят на простые, состоящие только из аминокислот, и сложные. Последние состоят из белковой части - апофермента и небелковой -кофактора. Их отличительной особенностью является то, что ни апофермент, ни кофактор по отдельности не обладают каталитической активностью. К простым ферментам относят: пипсин, трипсин, рибонуклеазу, фосфотазу и др., а к сложным: каталазу, протеазу, аминотрансферазу и др.
В составе фермента выделяют области, обеспечивающие его специфичные функции:
Активный центр - уникальная комбинация аминокислотных остатков в молекуле фермента,
обеспечивающая непосредственное связывание его с молекулой субстрата и прямое участие в акте катализа [2]. В активном центре выделяют каталитический участок, отвечающий за протекание реакции, и связывающий участок, обеспечивающий связывание субстрата с ферментом.
Таблица
Классы ферментов [2]_
№ Класс Тип катализируемой реакции
1 Оксидоредуктазы Перенос электронов и протонов
2 Трансферазы Перенос групп атомов, отличных от водорода
3 Гидролазы Гидролиз различных связей (с участием молекул воды)
4 Лиазы Образование двойных связей за счет удаления групп или добавление групп за счет разрыва двойных связей
5 Изомеразы Внутримолекулярный перенос групп с образованием изомерных форм
6 Лигазы (синтеазы) Соединение двух молекул и образование связей С-С, С-О, С-8 и С-М сопряженных с разрывом пирофосфатной связи АТФ
Аллостерический центр представляет участок молекулы фермента, в результате присоединения к которому определенного низкомолекулярного (а иногда - и высокомолекулярного) вещества изменяется третичная структура белковой молекулы. Как следствие этого изменяется конфигурация
активного центра, сопровождающаяся либо увеличением, либо снижением каталитической активности фермента [4].
В 1961 г. была разработана международная классификация ферментов, согласно которой их делят на классы.
Каждый фермент имеет четырехзначное цифровое обозначение, где первая цифра обозначает класс фермента, вторая цифра (подкласс) уточняет преобразуемую группировку, третья (подпод-класс) - уточняет дополнительных участников реакции и четвертая - порядковый номер фермента в данной группе [1].
Каталаза (КФ 1.11.1.6). Шифр означает, что фермент относится к классу оксидоредуктаз, взаимодействует с пероксидом в качестве акцептора, пероксидазы.
Оксидоредуктазы - это класс ферментов, катализирующих окислительно-
востановительные реакции
Каталаза является катализатором в реакции разложения пероксида водорода на воду и молекулярный кислород: 2Ш02= О2+2Н2О.
Гем в виде гем-порфина является простетической группой каталазы, содержит ион трехвалентного железа [2].
Молекула каталазы состоит из четырех, по-видимому, идентичных субьединиц с молекулярной массой 60 кДа, и имеет, соответственно, четыре простетические группы. Феррипротопорфириновые группы гема прочно связаны с белковой частью фермента -апоферметом и не отделяются от него при диализе [3].
Каталаза присутствует в тканях животных, растений, грибов, и в микроорганизмах. В клетке она находится в пероксисомах. У человека, в основном, локализуется в эритроцитах, печени, почках.
Каталаза относится к ферментам антиоксидантного действия. Она разрушает пероксид водорода, который способствует образованию гидроксильного радикала. Гидроксильный радикал, являющейся токсичной формой кислорода, вызывает свободнорадикальные окисления в организме, что приводит к нарушению структуры молекул. Также каталаза принимает небольшое участие в окислении этанола.
Каталаза применяется в пищевой промышленности в качестве антиокислителя и для холодной стерилизации напитков. Используется в производстве лекарственных
препаратов (например, хондромикс). Мониторинг активности каталазы в клинической биохимии применяется для диагностики нарушений метаболических процессов и эндотоксикоза организма.
Если в связи с генетическими нарушениями возникает недостаточность каталазы, то у человека может развиться акаталазия -наследственная болезнь, выражающаяся в изъязвлении ротовой полости и слизистой носа. В острых формах акаталазия может приводить к атрофии десен, а в последствии и к выпадению зубов.
При злокачественных новообразованиях отмечается активность каталазы в печени и почках, причем существует зависимость между величиной опухоли, скоростью ее роста и степенью уменьшения активности каталазы [3].
Для определения активности каталазы, выражаемой каталазным числом, используют манометрический или полярографический методы, основанные на фиксации образующегося в процессе реакции кислорода. Кроме этого регистрацию кислорода можно определить путем измерения текущей концентрации перекиси водорода с помощью спектрофотометрического метода или остаточной концентрации титриметрическими методами.
Как было упомянуто выше каталаза содержится в тканях растений. В частности, в овощах, употребляемых человеком: картофеле, моркови, капусте.
Овощи являются важным компонентом в пищевом рационе человека. Они содержат витамины, минералы, ферменты, необходимые для здоровой жизнедеятельности человека. Один из самых употребляемых овощей -картофель.
Картофель - клубневое растение из семейства пасленовых. Его родиной считается Южная Америка. В клубнях картофеля на 23,7 % сухого вещества большая часть приходится на крахмал. Также в его составе имеется небольшое количество белка, сахара, минеральных веществ, витаминов и других веществ. Большое разнообразие минеральных веществ и витаминов обуславливает высокую
питательную ценность картофеля. В нем содержатся минеральные соли калия, фосфора, магния, аскорбиновая и фолиевая кислоты, витамины группы В, РР, каротин и другие. К основным ферментам, содержащимся в картофеле, относят: оксидазы (каталаза,
пероксидаза), гидролазы (амилаза, сахараза), эстеразы (фосфорилаза). Качественный и количественный состав картофеля зависит от его сорта, места и технологии выращивания.
В данной работе нами была определена активность каталазы в следующих сортах картофеля: Винета, Гала, Глория, Елизавета, Королевское золото, Лаура, Рая, Скарб.
Винета - раннеспелый, кожура желтая, мякоть светло-желтая.
Гала - раннеспелый, кожура и мякоть желтые.
Глория - средний, клубни красные, кожура желтая.
Елизавета - среднеранний, клубни светло-бежевые, мякоть белая.
Королевское золото - среднеранний, кожура фиолетовая, мякоть ярко- желтая.
Лаура - среднеранний, клубни красные, мякоть желтая.
Рая - суперранний, кожура розовая, мякоть бледно-желтая.
Скарб - среднеранний, кожура и мякоть желтые.
Для определения активности каталазы в картофеле нами был использован перманганатометрический метод (По А.Н. Баху и А.И. Опарину).
Ход работы заключался в следующем. Картофель чистили и терли на терке. На электронных лабораторных весах взвешивали 3 г материала. Затем тщательно растирали в керамической ступке с кварцевым песком. В процессе растирания постепенно добавляли 50 мл воды и СаСОз на кончике шпателя, чтобы снизить кислотность реакции. Полученную массу помещали в колбу и добавляли воду до метки 100 мл. Перемешивали и оставляли стоять 10 мин. Далее фильтровали с помощью фильтровальной бумаги.
Брали две колбы вместимостью 200 мл и вливали в них 20 мл фильтрата. Одну из колб кипятили в течение 1 мин и охлаждали до комнатной температуры. Это контрольная колба. Другая колба, содержимое которой не подвергалось кипячению, содержала активный фермент - опытная. В обе колбы добавляли по 20 мл воды и по 3 мл пероксида водорода с концентрацией 1%. Содержимое колб перемешивали и оставляли на 30 мин.
После инкубации в опытную и контрольную колбы добавляли по 5 мл раствора 2н серной кислоты. Избыток пероксида водорода в каждой колбе оттитровывали 0,05 раствором перманганата калия до образования розового окрашивания содержимого колб, не исчезающего в течение 1 мин.
По окончании проделанных операций
вычислили активность каталазы по формуле
r , _ (a-b)xTx50x100 15 1. X — ,
L J mx20x30
где x - каталазное число, Е/г;
(а - b) - разность между объемами контрольной и опытной колб, пошедших на титрование, мл;
T - титр примененного для титрования раствора перманганата калия;
50 - коэффициент пересчета на мкмоль H2O2;
100 - объем приготовленного раствора;
m - масса анализируемого материала, г;
20 - объем фильтрата, пошедшего на анализ;
30 - время инкубации, мин.
Полученные результаты представлены на рисунке.
Рис. Активность каталазы в разных сортах картофеля
Исходя из полученных результатов, можно сказать, что активность каталазы в разных сортах картофеля колеблется в пределах от 0,2 до 2,82 (например, каталазное число молока здоровых коров лежит в интервале от 2,5 до 3,0 [5]). Как видно по рисунку, наивысшей активностью фермент каталаза обладает в сорте картофеля Рая, а наименьшей - Елизавета.
Список литературы
1. Биохимия : учебник /под ред. Е.С. Северина. - 5-е изд., испр. и доп. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2014. - 760 с.
2. Березов Т.Т. Биологическая химия : учебник / Т.Т. Березов, Б. Ф. Коровкин. - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Медицина, 1998. - 704 с.
3. Попова Т.Н. Медицинская энзимология : учеб. пособие / Т.Н. Попова, Т.И. Рахманова, С.С. Попов. - Воронеж: изд-во Воронежского гос. ун-та, 2008. - 63 с.
4. Филиппович Ю.Б. Основы биохимии : учебник для для хим. и биол. спец. пед. ун-тов и ин-тов /Ю.Б. Филиппович. -4-е изд. перераб. и доп. - М.: Агар, 1999. - 512 с.
5. Шапкарин В.В. Биохимия: сборник лабораторных работ /В.В. Шапкарин, А.П. Королев, С.Б. Гридина, Е.П. Зинкевич. - Кемерово: изд-во Кемеровского технологич. ин-та пищевой промышленности, 2005. - 84 с.
CATALASEIS THE BIOLOGICAL CATALYST AND IT'S ACTIVITY IN THE DIFFERENT
SORTS OF POTATOES*
V. V. KOSTERINA, Pskov state university, Pskov, Russia
Abstract
The article deals with the biological catalysts - enzymes, their classification and composition. The special attention is given to catalase, which belongs to the oxidoreductas' classes. The author pays attention to it's composition and implication for human organism and also to the food and pharmaceutical industrials fields of it's using. Besides, the article provides the activities of catalase determinations methods. The article contains experimental data obtained by the author, as a result of catalase potency determination in the different sorts of potatoes
Keywords: enzymes, enzyme classes, oxidoreductases, catalase, activity of catalase, potatoes, catalase in potato.
* Научный руководитель: к.хим.н., доц. Александрова С.М.
