У клітинах рослин і тварин безперервно протікають складні хімічні процеси. Вони регулюються білковими речовинами - ферментами, які грають роль каталізаторів хімічних реакцій в клітинах. Для вивчення таких біохімічних процесів потрібні складні прилади і безліч реактивів. Однак деякі біохімічні явища можна спостерігати, як кажуть, неозброєним оком.
Почнемо з окиснювальних ферментів - оксидаз і пероксидаз. Вони присутні в багатьох живих тканинах, тому що окислювання лежить в основі процесів дихання. Але ці ферменти діють по-різному: оксидази окислюють органічні речовини киснем повітря, пероксидази для тієї ж мети «видобувають» кисень з пероксидів. Звичайно, речовини повільно окислюються і без допомоги ферментів, але ферменти прискорюють реакцію у багато тисяч разів.
При окисленні деяких речовин, наприклад, фенолу та гідрохінону, утворюються забарвлені продукти реакції. Поява забарвлення говорить про те, що фермент спрацював. А інтенсивність забарвлення дозволяє судити про кількість продуктів окислення. Якщо ж забарвлення взагалі не з'являється, значить, неактивний фермент. Це може статися в дуже кислому або занадто лужної середовищі, або якщо відсутні постачальники кисню, або в присутності шкідливих для ферментів речовин - так званих інгібіторів ферментів.
Після цього невеликого вступу - самі досліди. Вам знадобляться: капустяний качан, яблуко, бульба картоплі з паростками, цибулина з корінцями, проросла в темряві. Реактивами будуть служити холодна кип'ячена, а ще краще дистильована вода, гідрохінон (з магазину фототоварів) і аптечна перекис водню. Запасіться також терткою для овочів, водяний лазнею, пробірками або флакончиками з-під пеніциліну, чистими піпетками і марлею або білою тканиною.
Почнемо дослідження з капустяного соку. Шматочок капустяної кочережки, приблизно 20 г, подрібніть на тертці, отриману кашку відіжміть через два шари марлі або один шар тканини, сік зберіть в склянку і розбавте водою в десять разів. Одразу попереджаємо: при дослідженні інших рослинних об'єктів сік потрібно розбавляти не більше ніж в два-три рази.
Шість чистих сухих пробірок або флакончиків пронумеруйте. У пробірки № 1, 2, 3 і 4 налийте по 1 мл розведеного капустяного соку. Пробірки 1 і 2 поставте для руйнування (інактивації) ферментів хвилин на п'ять у киплячу водяну баню, а потім охолодіть до кімнатної температури. У пробірки 5 і 6 замість соку налийте по 1 мл води.
У всі шість пробірок додайте трохи, на кінчику ножа, гідрохінону. Потім у пробірки 1, 3 і 5 налийте по п'ять крапель води, а в пробірки 2, 4 і 6 - по п'ять крапель пероксиду водню. Вміст кожної пробірки ретельно перемішайте.
Через 10-15 хвилин можна вже спостерігати результати досвіду. Настійно радимо записати їх у вигляді таблиці. Внесіть в таблицю номери пробірок і складу суміші в кожній з них, в графі проти кожної суміші позначте, чи змінилася забарвлення в ході досвіду, а якщо змінилася, то як саме. В наступній графі зробіть висновок відбулося окислення.
Коли вся таблиця заповнена, спробуйте проаналізувати отримані результати. Для цього подумайте над такими запитаннями.
Може пероксид водню окислити гідрохінон у відсутність капустяного соку?
Окислюється чи гідрохінон під дією соку капусти без пероксиду водню?
Зберігається активність ферментів соку після кип'ятіння?
Які окислювальні ферменти містяться в капустяному соку - оксидази або пероксидази?
Однак на підставі досвіду з рослинами одного виду ще рано робити остаточні висновки. Тому поставте такі ж досліди з бульбою картоплі і його паростками, з м'якоттю яблук, з м'ясистими лусками цибулини, а також з її денцем і листям («пір'ям»). Нагадуємо: у цих випадках отриманий сік потрібно розбавляти водою в 2-3 рази.
Коли всі досліди виконані, можна визначити, в якому з досліджених матеріалів окислювальні ферменти активніше. Як ви вважаєте, чи можуть бути в рослинних тканинах оксидази і пероксидази?
Спробуйте зробити висновки самі, не заглядаючи в пояснення. А коли висновки зроблені, перевірте, наскільки вони правильні.
Висновок перший. Пероксид водню може поступово окислювати гідрохінон і без соку: в пробірках 5 і 6 повільно з'являється рожеве забарвлення. Значить, фермент необов'язковий для реакції. Як і всі каталізатори, ферменти лише прискорюють почалася реакцію у багато разів. Ви помітили, звичайно, як швидко з'явилася забарвлення в пробірці 4. Однак пероксидази не можуть прискорити реакцію гідрохінону з киснем повітря (фарбування в пробірці 3 відсутня або з'являється дуже повільно).
Висновок другий. Фермент можна вивести з ладу навіть короткочасним кип'ятінням. У пробірці 2 забарвлення практично немає. Адже ферменти - це білки; вони згортаються при нагріванні - в пробірках 1 і 2 з'явилися білкові пластівці.
Висновок третій. У пробірці 3 забарвлення не з'явилася. Значить, в капустяному соку містяться тільки пероксидази, прискорюють окислення гідрохінону лише в присутності пероксиду водню. Проте в дослідах з картопляними бульбами і яблуком забарвлення з'являється, і особливо швидко при струшуванні флакона, коли розчин збагачується киснем повітря. Значить, у картоплі і яблуці є оксидази (конкретніше-фенолоксидаза), які сприяють окисленню гідрохінону киснем. Тому і темніють на повітрі розрізані бульби картоплі і яблука - вони містять речовини, родинні гідрохінон. Оксидаза також втрачає активність при нагріванні. Згадайте, темніє чи варену картоплю?
Нарешті, четвертий висновок. В картоплі і яблуці є також оксидази - при додаванні пероксиду в пробірку 4 забарвлення з'являється швидше. А в м'ясистих чешуях лука оксидази немає. Вони не темніють на повітрі навіть з гидрохиноном.
До речі, ви звернули увагу на те, що окислювальні ферменти особливо активні готуються до зростання або зростаючих органах рослин - в дінці цибулини і її корінцях, у паростках картоплі? Обмін речовин йде там найбільш інтенсивно.
Отже, ми з'ясували, що не всякі умови середовища сприятливі для дії ферментів. Якщо сильний нагрів інактивує ферменти, то, може бути, вони більш активні при низькій температурі? Перевіримо і це. Для досвіду потрібні будуть додатково чотири скляні або металеві банки ємністю близько одного літра і лід або сніг (приблизно 1 кг ). Досвід поставимо з капустяної качаном.
Натріть качан на тертці, сік, як і раніше, відіжміть через марлю або тканину і розбавте водою в двадцять разів. Пронумеруйте знову пробірки, якщо стара нумерація чому-небудь стерлася, і налийте в пробірки 1, 2, 3 і 4 по 1 мл розведеного капустяного соку, а потім додайте гідрохінон на кінчику ножа. У пробірки 5 і 6 замість соку налийте по 1 мл води і теж насипте гідрохінон. А потім розставте пробірки наступним чином: 1 - в банку зі снігом або льодом; 2 - в банку з теплою водою (40°С); 3 - в банку з гарячою водою (60°С); 4 - залиште на столі при кімнатній температурі; 5 - в банку з киплячою водою; 6 - залиште при кімнатній температурі.
Через 5 хв після початку досліду у всі пробірки, починаючи з більш холодних, влийте по п'ять крапель пероксиду водню. Суміш обережно збовтайте і зауважте час початку реакції. Ще через 5 хв вийміть пробірки з банок і запишіть результати досвіду у вигляді таблиці, приблизно такий же, як і в минулий раз. Коли таблиця заповнена, можна зайнятися аналізом отриманих даних.
Спробуйте зробити висновки самостійно, відповівши спочатку на наступні питання.
Прискорюється реакція окислення при підвищенні температури без додавання ферменту?
Можна сказати, що ферменти краще діють при охолодженні?
Яка найбільш сприятлива температура для дії пероксидаз?
Чому харчові продукти довше зберігаються в холодильнику?
Для чого кип'ятять молоко?
Чому теплокровні тварини - ссавці і птахи - найбільш розвинені і життєздатні тварини на Землі?
Ви відповіли на всі ці питання? Тоді наші пояснення.
Ви, мабуть, помітили, що швидкість окислення гідрохінону пероксидом водню неоднакова при низькій і високій температурах. При високій температурі швидкість окислення, природно, вище. Пероксидази полегшують взаємодію гідрохінону з пероксидом. В присутності ферменту реакція проходить навіть при низькій температурі, однак чим вище температура, тим легше ферменту активувати молекули реагуючих речовин.
Але не можна забувати, що білки при високій температурі згортаються, швидкість реакції знижується. Існує поняття оптимальної температури дії ферментів, при якій вони проявляють найбільшу активність. Для різних ферментів ця температура неоднакова, але багато ферменти, в тому числі і пероксидази, мають температурний оптимум 40-50°С.
Харчові продукти псуються під дією ферментів, що містяться в них або виділяються мікроорганізмами. На холоді активність ферментів знижується - ось чому в холодильнику продукти псуються менше.
На верхній щабель еволюції піднялися теплокровні тварини, які можуть підтримувати температуру тіла, оптимальну для діяльності ферментів.
О. Ольгин. "Досліди без вибухів"
М., "Хімія", 1986
