Spektrofotometryczna metoda oznaczania aktywności peroksydazy

Cel ćwiczenia:

Ćwiczenie poświęcone jest zapoznaniu się z metodą oznaczania aktywności peroksydazy

chrzanowej jako jednego z enzymów z klasy oksydoredukataz.

Wprowadzenie:

Peroksydazy (EC 1.11.1.1-14) to grupa enzymów naleŜących do klasy oksydoreduktaz

katalizujących utlenianie nadtlenkiem wodoru róŜnych substratów organicznych i

nieorganicznych (Verma i Dubey, 20003). Grupą prostetyczną peroksydaz moŜe być kofaktor

hemowy, a takŜe reszty selenocysteiny lub cysteiny luźno związane z apoenzymem.

W reakcji katalizowanej przez peroksydazę, nadtlenek wodoru jest redukowany kosztem

róŜnych związków np. kwasu askorbinowego, hydrohinonów i zredukowanego cytochromu.

Sumarycznie równanie reakcji katalizowanej przez peroksydazę przedstawia się następująco:

H2O2 + AH2

2 H2O + A

gdzie: AH2 i A to, odpowiednio, substrat w stanie zredukowanym i utlenionym.

Peroksydazy roślinne naleŜą do kluczowych enzymów kontrolujących róŜnicowanie się i

rozwój komórek roślinnych. Biorą one udział w takich procesach, jak: wczesny rozwój roślin,

kiełkowanie, dojrzewanie owoców, starzenie oraz opadanie liści. Dodatkowo pełnią funkcję

enzymów o charakterze antyoksydantów, uczestnicząc w unieczynnianiu reaktywnych form

tlenu (RFT). RFT powstają w kaŜdej Ŝywej komórce jako nieuchronny produkt metabolizmu

tlenowego. Nadmierne ich generowanie prowadzi do stresu „oksydacyjnego” oddziałując

negatywnie na funkcje wszystkich organelli komórkowych, uszkadzając białka, lipidy oraz

kwasy nukleinowe (Zacchini i in., 2003). Organizmy roślinne i zwierzęce wykształciły system

antyoksydacyjny, który składa się zarówno z enzymów (dysmutaza ponadtlenkowa, katalaza,

peroksydaza oraz alternatywna oksydaza) jak i związków niskocząsteczkowych (askorbinian,

cysteina, glutation). Do peroksydaz biorących udział w usuwaniu RFT naleŜą: peroksydaza

glutationowa, gwajakolowa czy askorbinowa (Mehlhorn, i in., 1996). Enzymy te zlokalizowane są m.in. w cytozolu, wakuoli, chloroplastach, ścianie komórkowej i przestrzeni

międzykomórkowej. Uczestniczą nie tylko w obronie antyoksydacyjnej, ale równieŜ biorą

udział w procesach lignifikacji, biosyntezie etylenu i obronie przed patogenami.

Peroksydazy są wysoce specyficzne w stosunku do donora wodoru (np. peroksydaza

cytochromowa, peroksydaza NADH, peroksydaza NADPH) lub niespecyficzne przenosząc

atom wodoru z organicznego substratu na nadtlenek wodoru (np. peroksydaza chrzanowa).

Prawie wszystkie peroksydazy niespecyficzne są hemoproteinami. Dzięki występowaniu

ugrupowania hemowego połączonego ze specyficznym białkiem wykazują one

charakterystyczne widmo absorpcyjne. Utworzenie przejściowego kompleksu enzymu z

H2O2, powoduje aktywacje nadtlenku wodoru, w wyniku, czego działa jako akceptor wodoru.

Peroksydazy mogą równieŜ katalizować reakcję bezpośredniego utlenienia substratów z

udziałem tlenu cząsteczkowego.

Do peroksydaz o charakterze niespecyficznym naleŜy m.in. peroksydaza chrzanowa. Jest

ona glikoproteiną o masie cząsteczkowej 44 kDa, zawierającą cztery reszty lizynowe.

1

Substratem, a więc donorem wodoru mogą być m.in. fenole oraz aminy tj. e-toluidyna,

gwajakol czy pirogalol.

Oznaczanie aktywności peroksydazy chrzanowej

Aktywność peroksydazy moŜe być oznaczana na podstawie: spadku stęŜenia nadtlenku

wodoru, spadku stęŜenia donoru wodoru lub pomiarze poziomu utworzonych produktów

utlenienia. Na dzisiejszych ćwiczeniach pomiar aktywności peroksydazy chrzanowej będzie

się opierał na trzeciej metodzie, czyli na pomiarze poziomu utworzonych produktów

utlenienia. Przy oznaczaniu aktywności peroksydazy nadtlenek wodoru stosuje się w

niewielkim nadmiarze ze względu na jego inaktywujące działanie na enzymy. Reakcję

przeprowadza się przez 5-10 minut ze względu na szybkie wyczerpywanie się nadtlenku

wodoru.

Zasada fotometrycznej metody oznaczania aktywności peroksydazy chrzanowej

Metoda opiera się na reakcji utleniania pirogalolu do purpurogaliny przy udziale nadtlenku

wodoru. Ilość powstającej purpurogaliny mierzona jest fotometrycznie przy długości fali 430

nm i temperaturze 25°C. Próbę materiałową wykonuje się bez dodatku H2O2 w celu

wyeliminowania aktywności oksydazy polifenolowej, która równieŜ wykazuje właściwości

utleniające. Aktywność peroksydazy uzyskujemy poprzez odjęcie od absorbancji dla prób

pełnych wartość absorbancji dla prób materiałowych (Próba pełna – Próba materiałowa).

+ 3 H

2

2 0 2

+

C0 2 + 5 H 20 2

pirogalol

purpurogalina

Rys. 1. Utlenienie pirogalolu do purpurogaliny.

Odczynniki

1. 1M NaOH:

2. 0.1 M bufor fosforanowy pH 6.0:

3. 5.33% roztwór pirogallolu (m/v)

4. 0.5% H2O2

5. 10% Kwas siarkowy

6. 10% Siarczan sodowy

Wykonanie

Wyciąg enzymowy (zadanie kontrolne) uzupełnić wodą destylowaną w kolbie miarowej na

25 ml.

Procedura

Wykonywane są następujące próby:

2

1) kontrolna zawiera wszystkie składniki, ale bez wyciągu enzymowego. SłuŜy do wyzerowania

spektrofotometru

i

kompensuje

absorbancję

pochodzącą

od

odczynników.

2) materiałowa bez dodatku H2O2 w celu wyeliminowania aktywnej w roślinach

oksydazy polifenolowej wykazującej właściwości utleniające pirogalol.

3) pełna zawierająca wszystkie odczynniki oraz enzym i H2O2.

Aktywność peroksydazy chrzanowej wykonuje się w buforze fosforanowym pH 7.0,

temperaturze 25oC, inkubację prowadzi się przez 10 minut.

Do probówek naleŜy odpipetować następujące ilości odczynników:

Próba kontrolna

Próba materiałowa

Próba pełna

(w 2 powtórzeniach)

(w 2 powtórzeniach)

0.15 ml

0.15 ml

0.15 ml

Bufor fosforanowy

Bufor fosforanowy

Bufor fosforanowy

0.5 ml

0.5 ml

0.5 ml

Woda destylowana

Enzym

Enzym

0.7 ml

0.7 ml

0.7 ml

Woda destylowana

Woda destylowana

Woda destylowana

Wstawić do łaźni wodnej na 5 minut o temperaturze 25 ° C

0.5 ml

0.5 ml

0.5 ml

Nadtlenek wodoru

Woda destylowana

Nadtlenek wodoru

0.15 ml

0.15 ml

0.15 ml

Pirogalol

Pirogalol

Pirogalol

Inkubować w łaźni wodnej przez 10 minut o temperaturze 25 ° C

0.5 ml

0.5 ml

0.5 ml

Kwas siarkowy

Kwas siarkowy

Kwas siarkowy*

0.5 ml

0.5 ml

0.5 ml

Siarczan sodowy

Siarczan sodowy

Siarczan sodowy**

2.5 ml

2.5 ml

2.5 ml

Woda destylowana

Woda destylowana

Woda destylowana

*zahamowanie reakcji przez dodanie 10 % kwasu siarkowego

** rozłoŜenie pozostałego nadtlenku wodoru

Absorbancję uzyskanych roztworów (2 próby pełne, 2 próby materiałowe) naleŜy odczytać w

fotometrze wobec próby kontrolnej przy długości fali 430 nm.

Opracowanie wyników

Od średniej wartości absorbancji prób pełnych odjąć średnią wartość absorbancji prób

materiałowych. Dla otrzymanej absorbancji odczytać z krzywej wzorcowej stęŜenie

purpurogaliny. Obliczyć aktywność peroksydazy wyraŜona w µmol purpurogaliny utworzonej

w ciągu 1 minuty w przeliczeniu na 1 g korzenia.

3

Przykładowe obliczenie

Absorbancja Absorbancja

Średnia

Absorbancja

Absorbancja

Średnia

StęŜenie

prób

prób

absorbancja

prób

prób

absorbancja

RóŜnica purpurogaliny

pełnych

pełnych

prób

materiałowych materiałowych

prób

(µg)

1

2

pełnych

1

2

materiałowych

0.175

0.164

0.170

0.020

0.030

0.025

0.145

900

RóŜnica absorbancji 0.145

W 0.5 ml próby znajduje się 900 µg purpurogaliny

W 25 ml (w kolbce)- 45 000 µg purpurogaliny (900 µg x 50)

Do kolbki przed dopełnieniem jej wodą do objętości 25 ml wlano np. 3 ml analizowanego

ekstraktu z korzenia chrzanu (wartość tę poda prowadzący ćwiczenie, po zanotowaniu róŜnic

absorbancji P pełna – P materiałowa).

W 3 ml roztworu było 45 000 µg purpurogaliny, zatem w 1000 ml:

45 000 µg purpurogaliny x 1000/3 = 15 000 000 µg purpurogaliny

Masa molowa purpurogaliny 220 µg/µmol, zatem 15 000 000 µg/220 µg/µmol = 68 181 µmol

Do doświadczenia uŜyto 2.5 g korzenia chrzanu a aktywność musimy przeliczyć na 1 g i na 1

minutę:

68 181 µmol x 1 g/2.5 g = 27 272 µmol

27 272 µmol x 1 minuta/10 minut = 2727 µmol

Schemat rozcieńczeń

2.5g

1000 ml

X ml

25 ml

Zadanie

kontrolne

0.5 ml

Pytania:

1) Do jakiej klasy enzymów naleŜą peroksydazy i jakie reakcje katalizują?

2) Wyjaśnij, dlaczego w metodach oznaczania aktywności peroksydaz reakcję prowadzi

się tylko przez krótki czas?

3) W jaki sposób przerywa się na ćwiczeniu reakcję katalizowaną przez peroksydazę

chrzanową? W jakim celu po zakończeniu reakcji enzymatycznej dodaje się siarczynu

sodowego?

4

4) Czym róŜnią się próby kontrolne od prób pełnych w fotometrycznej metodzie

oznaczania aktywności peroksydazy? Do czego słuŜy próba kontrolna, materiałowa

oraz pełna?

Literatura:

1) Becana M, Dalton DA, Moran JF, Iturbe-Ormaetxe I, Matamoros MA, Rubio

MC. 2000. Reactive oxygen species and antioxidants in legume nodules. Physiologia

Plantarum 109: 372–381.

2) Mehlhorn H, Lelandais M, Korth HG, Foyer CH. 1996. Ascorbate is the natural

substrate for plant peroxidases? FEBS Lett: 378:203–206

3) Małecka A., Tomaszewska B. 2005. Reaktywne formy tlenu w komórkach

roślinnych i enzymatyczne systemy obronne. Postępy Biologii Komórki 32:311-325

4) Verma , S. and R.S. Dubey, 2003. Lead toxicity induces lipid peroxidation and alters the activities of antioxidant enzymes in growing rice plants. Plant Sci: 164: 645-655.

5) Zacchini M. , Rea E., Tullio M., de Agazio M. 2003. Increased antioxidative capacity in maize calli during and after oxidative stress induced by a long lead treatment. Plant

Physiology and Biochemistry: 41: 49-54.

5