აქტივობა 3. ფერმენტ კატალაზას აქტივობის შესწავლა

მიზანი:

მოსწავლემ დაადგინოს ფერმენტის აქტივობის დამოკიდებულება გარემოს pH–ზე. განუვითარდეს კვლევითი უნარები.

 

რესურსები:

0.1 M HCl (მარილმჟავა); 0.1M NaOH (ნატრიუმის ტუტე, მწვავე ნატრიუმი); H2O2-ის 3%-იანი ხსნარი; კარტოფილის კანგაცლილი ნაჭრები, თითოეული 1 სმ3 მოცულობით (მასწავლებელმა თავად უნდა მოამზადოს ისინი ცდის წინ); სამი სინჯარა; სინჯარების სადგამი; გრადუირებული ცილინდრი 10 მლ მოცულობით; ლაბორატორიული ჭიქა 100 მლ მოცულობით; სამი პიპეტი; სახაზავი; როდინი; სამი მინის წკირი, ქაღალდის ინდიკატორი; დავალების შინაარსის, ინსტრუქციისა და თანდართული კითხვების ამსახველი ტექსტი ამობეჭდილი სახით, ან ელ. ფორმატში.

შენიშვნა: მიუხედავად განზავებულ მდგომარეობაში ყოფნისა, მარილმჟავა და ნატრიუმის ტუტე საკმაოდ ძლიერი მჟავა და ტუტეა. ამიტომ მასწავლებელმა ყურადღება უნდა მიაქციოს უსაფრთხოების წესების დაცვას. სასურველია მოსწავლეებს ექსპერიმენტის ჩატარების დროს ეკეთოთ დამცავი სათვალე და ხალათები, კანზე მჟავას, ან ტუტის მოხვედრის შემთხვევაში, დაუყოვნებლივ უნდა მოხდეს ჩამორეცხვა გამდინარე წყლით.

მასწავლებელს შეუძლია ცდის ჩაატარება დაავალოს მოსწავლეებს ჯგუფებში, ან შეუძლია კლასის წინაშე, ცდის დემონსტირება დაავალოს ერთ–ერთ მოსწავლეს და თვითონაც დაეხმაროს მას. ასეთ შემთხვევაში ჯგუფებში მოხდება ცდის შედეგების აღრიცხვა და შედეგების ინტერპრეტაცია.

მსვლელობა:

1. მასწავლებელი სვამს სამოტივაციო კითხვებს;


1) ორგანული მოლეკულების რომელ ჯგუფს მიეკუთვნებიან ფერმენტები და რაში მდგომარეობს მათი მნიშვნელობა? (ფერმენტები წარმოადგენენ ცილებს, რომლებიც ასრულებენ ბიოკატალიზატორის ფუნქციას - წარმართავენ უჯრედში მიმდინარე ქიმიურ რეაქციებს).
2) რა მოხდებოდა ჩვენმა ორგანიზმმა უეცრად ერთ–ერთი ფერმენტის, მაგალითად პეპსინის სინთეზი რომ შეწყვიტოს?

(დაითრგუნებოდა ცილების მონელება კუჭში, რასაც მოჰყვებოდა ნივთიერებათა ცვლის მოშლა, ორგანიზმი შეწყვეტდა ზრდა-განვითარებას, რეგენერაციული პროცესებისა და სასიცოცხლო ფუნქციების განხორციელებას).

3) როგორი pH-ის პირობებში მოქმედებენ სისხლის პლაზმის ფერმენტები და რატომ?

(ფერმენტების აქტიურობა მრავალ ფაქტორთან ერთად დამოკიდებულია გარემოს pH-ზეც. სისხლის პლაზმის რეაქცია ნეიტრალურთან ძალიან ახლოა, შესაბამისად პლაზმის ფერმენტებიც მხოლოდ ნეიტრალურ pH-ის პირობებში მოქმედებენ).

2. მასწავლებელი აცნობს კლასს გაკვეთილის მიზანს – ექსპერიმენტულად გამოიკვლიონ ფერმენტის მოქმედების თავისებურებები; ურიგებს კლასს საინფორმაციო ტექსტს:


საინფორმაციო ტექსტი

 კატალაზა

ქიმიური რეაქციები ორგანიზმში ფერმენტების კონტროლის ქვეშ ხორციელდება. ფერმენტები აკატალიზებენ როგორც ანაბოლურ, ასე კატაბოლურ რეაქციებს და ამით მონაწილეობას ღებულობენ ნივთიერებათა ცვლის რეგულაციაში. ფერმენტების ნორმალური მოქმედებისათვის საჭიროა გარემოს გარკვეული პირობები: ტემპერატურა (t°C), გარემოს რეაქცია (pH), ქიმიური შემადგენლობა და სხვ. ბაქტერიებს, რომლებიც ცხოვრობენ 55°C -ის საშუალო ტემპერატურის პირობებში, მაგალითად, ვულკანის სიახლოვეს, გააჩნიათ ფერმენტები, რომელთა მუშაობისთვის ოპტიმალური ტემპერატურაა 55°C. ადამიანის ორგანიზმში მოქმედებენ კუჭის პროტეაზები, რომელთაც მჟავა გარემო სჭირდებათ, ნერწყვის ფერმენტები კი მხოლოდ ტუტე არეში მოქმედებენ.

კატალაზა წარმოადგენს ფერმენტს, რომელიც მრავალი ცხოველისა და მცენარის უჯრედებში მოიპოვება. კატალაზას ძირითადი სუბსტრატი, ანუ ნივთიერება რომელზეც ის მოქმედებს, წყალბადის ზეჟანგია (H2O2). H2O2 ნივთიერებათა ცვლის პროცესში ჟანგვითი რეაქციების დროს წარმოქმნილი ნივთიერებაა, ის ძლიერ ტოქსიურია უჯრედისათვის, ამიტომ საჭიროა მისი სწრაფი გარდაქმნა ნაკლებად საშიშ ნივთიერებებად. კატალაზა შლის H2O2-ს ჟანგბადად და წყლად შემდეგი რეაქციის მიხედვით:

 2 H2O2 ------> 2 H2O+ O2. 

H2O2 - ის გახლეჩვის შედეგად მისი ერთ-ერთი პროდუქტი - ჟანგბადი გამოიყოფა გარემოში ბუშტუკების სახით. კატალაზას მოქმედების ეფექტურობას აფასებენ იმ მოცულობის მიხედვით, რომელსაც იკავებენ გამოყოფილი ჟანგბადის ბუშტუკები სინჯარაში. მოცულობის გამოსათვლელად იყენებენ ფორმულას:

V = πR2H

სადაც:

π (მუდმივა) = 3,14;

V - მოცულობა, რომელიც დაიკავეს გამოყოფილმა ჟანგბადის ბუშტებმა (სმ3);

R - სინჯარის რადიუსი (სმ);

H - სვეტის სიმაღლე, რომელიც წარმოქმნეს გამოყოფილმა ბუშტუკებმა (სმ).

 

გამოიყენე მოცემული ინფორმაცია და ექსპერიმენტის საშუალებით გაარკვიე:

– როგორი გარემო სჭირდება კატალაზას მოქმედებისათვის - მჟავა, ტუტე, თუ ნეიტრალური?
– ექსპერიმენტის დაწყებამდე გამოთქვი და დააფიქსირე ვარაუდი წერილობით: შეძლებს თუ არა კარტოფილის უჯრედებში არსებული კატალაზა წყალბადის ზეჟანგის დაშლას სამივე გარემოში ერთნაირი ეფქტურობით; ან რომელ გარემოში გამოავლენს ის თავის მაქსიმალურ ეფექტს? მოიყვანე არგუმენტი შენი ვარაუდის სასარგებლოდ.

 

3. მასწავლებელი ურიგებს კლასს ცდის ჩატარების პროცედურას ამობეჭდილი სახით, ან გამოაქვს ის ეკრანზე, რომ ყველას ქონდეს ცდის თანმიმდევრობისთვის თვალის მიდევნების საშუალება.

ცდის აღწერა:

1. აიღე სამი სინჯარა, მონიშნე სათითაოდ, წარწერით: მჟავა, ტუტე, ნეიტრალური.
2. აიღე კარტოფილის კანგაცლილი ნაჭრები, თითოეული 1 სმ3 მოცულობით, ცალ-ცალკე დააქუცმაცე 2-2 ნაჭერი როდინში (სულ 6) და მოათავსე სამივე სინჯარაში ცალ–ცალკე.
3. სინჯარას წარწერით ,,მჟავა” დაამატე 1მლ 0.1 M HCl. სინჯარას წარწერით ,,ტუტე” – 1მლ 0.1M NaOH, ხოლო სინჯარას წარწერით ,,ნეიტრალური’’ – 1მლ ჩვეულებრივი წყალი.
4. ძალიან ფრთხილად (!!!), მოურიე თითოელი სინჯარის შიგთავსს მინის სხვადასხვა წკირით.
5. შეამოწმე pH თითოეულ სინჯარაში ქაღალდის ინდიკატორის გამოყენებით. ჩაინიშნე სამივე მონაცემი ცხრილში.
6. ჩაამატე თითოეულ სინჯარაში H2O2-ის 3%-იანი ხსნარის 5-5 მლ.
7. დაელოდე რეაქციის შედეგს სამი წუთი. შემდეგ გაზომე გამოყოფილი ჟანგბადის ბუშტების მიერ წარმოქმნილი სვეტის სიმაღლე თითოეულ სინჯარაში. მონაცემები ჩაინიშნე ცხრილში.
8. გაზომე სინჯარ(ებ)ის რადიუსი, მონაცემები ჩაინიშნე ცხრილში.
9. გამოთვალე რეაქციის მოცულობა (მოცულობა, რომელსაც იკავებს გამოყოფილი ჟანგბადის ბუშტები) ფორმულის საშუალებით, მონაცემები ჩაინიშნე ცხრილში.

ხსნარის რეაქცია

შენიშვნა: თუ ექსპერიმენტს ერთდროულად რამდენიმე ჯგუფი ასრულებს, მასწავლებელმა ყურადღება უნდა მიაქციოს, რომ ჟანგბადის ბუშტების სვეტის სიმაღლის გაზომვა განხორციელდეს სამივე სინჯარაში ერთდროულად.

4. ექსპერიმენტის დასრულების შემდეგ მასწავლებელი სთხოვს ჯგუფებს იმსჯელონ და წერილობით ჩამოაყალიბონ პასუხები კითხვებზე:

1) სად გვხვდება და რა როლს ასრულებს კატალაზა ცოცხალ უჯრედებში?

2) აღწერე, როგორ არის დამოკიდებული კატალაზას მოქმედება არეს pH-ზე და pH-ის რომელ მნიშვნელობაა მისთვის ოპტიმალური.
3) ახსენი, რატომ არ იმოქმედა ფერმენტმა ერთნაირად pH-ის ყველა მნიშვნელობაზე.
4) რომელია აღწერილ ექსპერიმენტში დამოკიდებული ცვლადი, დამოუკიდებელი?

 

სავარაუდო პასუხები კითხვებზე:

1. კატალაზა გვხვდება თითქმის ყველა სახის ორგანიზმში: ცხოველურ, მცენარეულ, აგრეთვე ბაქტერიებისა და სოკოების უჯრედებში. ის შლის წყალბადის ზეჟანგს და უჯრედს აშორებს ამ ტოქსიურ ნივთიერებას.
2. კატალაზას მოქმედება მნიშვნელოვნად არის დამოკიდებული რეაქციის არეზე: ფერმენტს არ შეუძლია მოქმედება pH-ის ყველა მნიშვნელობაზე. მისთვის ოპტიმალურია არის ნეიტრალური რეაქცია.
3. კატალაზა ისევე, როგორც ყველა ფერმენტი წარმოადგენს ცილას. ცილის მგრძნობიარე სტრუქტურა რეაგირებს მრავალ ფაქტორზე, მათ შორის pH-ის ცვლილებაზეც, დენატურირდება და შესაბამისად, კარგავს აქტივობას.
4. დამოკიდებული ცვლადია ჟანგბადის გამოყოფის ინტენსივობა, ანუ ჟანგბადის გამოყოფის შედეგად წარმოქმნილი ბუშტუკების სიმაღლე. დამოუკიდებელი ცვლადია pH-ის სხვადასხვა მნიშვნელობები, რომელიც გავლენას ახდენს კატალაზას აქტივობაზე.

 

5. ჯგუფების მუშაობის დასრულების შემდეგ მასწავლებელი ისმენს პრეზენტაციებს, აკეთებს საჭირო კომენტარს, იძლევა შეფასებას.
6. საშინაო დავალების სახით მასწავლებელი ავალებს მოსწავლეებს მოიფიქრონ და თეორიულად დაგეგმონ ექსპერიმენტი კატალაზას მოქმედებაზე ტემპერატურის ზემოქმედების გამოსაკვლევად. შეარჩიონ ფორმა, რომლითაც წარმოადგენენ საკუთარი მომავალი ექსპერიმენტის მონაცემებს (ცხრილი, დიაგრამა, ფოტო).

 

სასარგებლო ინტერნეტლინკები:

კატალაზას ექსპერიმენტის განხილვა

http://www.catawbaschools.net/departments/curriculum/specialist/carol_moore/Shared%20Documents/Essential%20Standards%20Charts/Catalase%20Lab%20(Bio%204.1.3).pdf
http://chem.lapeer.org/Bio2Docs/CatalaseLab.html
http://www.edhsgreensea.net/APBiology/Activities_AP_Bio/Biochemistry/Activity9_Enzyme_Lab.pdf