31.05.12

Thema:

E nzyme - die B iokata lys atoren der Z elle

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IN H ALTS V E R Z E IC H N IS• Ankunft im Julab, dem Schülerlabor

des Forschungszentrums Jülich• Vorbereitung zur Experimentierphase• Experimente • Vorversuch zur Aktivität der Katalase1.Eigenschaften der Katalysatoren am Beispiel der Katalase

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2. Einflüsse verschiedener Faktoren auf die Leistung des Enzyms

• Einfluss der Umgebungstemperatur• Einfluss des umgebenden pH-Werts• Einfluss der Substratkonzentration• Einfluss der Enzymkonzentration

• Auswertung Ergebnisse

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Ankunft im JU LAB

Zunächst versammelten wir uns in unserem Aufenthaltsraum, wo wir uns gegenseitig vorstellten.Dann wurde uns die Arbeit des Forschungs-zentrums Jülich, in Form eines Films erläutert. Und vor dem Beginn der praktischen Arbeit besprachen wir den Tagesablauf und die anschließenden praktischen Experimente.

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Vorbereitung zur E xperimentierphas e

Anschließend sammelten wir, was wir zum Thema Enzyme, insbesondere zur Katalase wussten. Dies half uns, unser Wissen noch einmal zu festigen und bereitete uns auf die bevorstehenden Experimente vor.

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E xperimente

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Vorvers uch:Zum Verständnis der Funktionsweise der Katalase führten wir ein Vorexperiment durch.Dazu mussten wir eine rohe Kartoffelscheibe und eine gekochte Kartoffelscheibe mit je 30%tiger Wasserstoffperoxidlösung beträufeln und beobachten, was passierte.

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Es war deutlich zu erkennen, dass die rohe Kartoffel schäumte und sich schwarz färbte, während die gekochte Kartoffel keinerlei Veränderung aufwies.Daraus schlossen wir, dass die Katalase in der rohen Kartoffel aktiv war. Also das Substrat Wasserstoffperoxid in Sauerstoff und Wasser umsetzte.

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In der gekochten Kartoffel hingegen war keine Enzymaktivität der Katalase zu erkennen. Dies begründeten wir mit unserem Vorwissen, dass Enzyme aus Proteinen bestehen, welche bei Erhitzung auf über 60°C denaturieren.D.h. sie verändern ihre Struktur, sodass sie keine Substrate mehr umsetzen können.

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1. E ig ens chaften von K ata lys atoren am

B eis piel der K ata la s eBevor wir mit den Experimenten beginnen konnten, mussten wir die Versuchsapparatur selbstständig aufbauen. Anschließend mussten wir die Enzymlösung herstellen. Dazu separierten wir Kartoffelsaft, welcher zum Schutz der Katalase auf Eis gekühlt wurde.

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Nun konnten wir mit Versuch 1 beginnen.Zunächst wurde das Wasser im linken Becherglas zusammen mit 20ml Substratlösung (3%ige Wasserstoffperoxidlösung) im Reagenzglas auf 30°C erwärmt.Dann wurden 2ml unserer Enzymlösung (Kartoffelsaft) in das Reagenzglas mit der Substratlösung pipettiert.

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Dies bewirkte die Umsetzung von Wasserstoffperoxid zu Sauerstoff und Wasser, durch das Enzym Katalase aus dem Kartoffelsaft.Die Reaktion war mit bloßem Auge zu erkennen, da Sauerstoffbläschen im linken Messzylinder aufstiegen und so das darin befindliche Wasser verdrängten.

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Nach ca. 4,5 Minuten endete die Reaktion, da alle Substrate umgesetzt worden waren.Insgesamt hatten sich 87,5 ml Gas gebildet.Um sicher zu gehen, dass das Ende der Reaktion am fehlenden Substrat lag, wurden erneut 5ml der Enzymlösung hinzugegeben. Dies bestätigte unsere Theorie, da keine weitere Reaktion stattfand.

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Eine Sicherheitsüberprüfung erfolgte, indem wir 5ml Substratlösung in das Reagenzglas gaben. Dabei stellten wir fest, dass eine stärkere Gasbildung als zuvor erfolgte, der Ablauf insgesamt allerdings langsamer erfolgte.

Daraus schlossen wir, dass nun ein Überschuss an Substraten vorlag. Wenn mehr Substrate als Enzyme vorliegen, konkurrieren die Substrate um die Enzyme, sodass die Reaktion verzögert wird.

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2. E inflüs s e vers chiedener Faktoren, auf die Leis tung des E nzyms

Nun überprüften wir, welche Auswirkungen die Veränderung der Umgebungstemperatur, des pH-Wertes, und der jeweiligen Konzentration des Substrats bzw. des Enzyms auf die Leistung der Katalase haben.

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Zunächst wurde überprüft, welchen Einfluss die U mg ebung s temperatur hat, indem die Reaktionsgeschwindigkeit bei 6 unterschiedlichen Temperaturen gemessen wurde (gleiches Verfahren wie bei Versuch 1).Dabei stellte sich heraus, dass die Reaktionsgeschwindigkeit bis 40°C anstieg und ab 60°C keine Reaktion mehr stattfand.Der Anstieg der Enzymaktivität bei steigender Temperatur hängt mit der Brownschen Molekularbewegung zusammen.

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Denn Teilchen bewegen sich schneller, wenn die Temperatur erhöht ist. So steigt die Wahrscheinlichkeit, dass Enzym und Substrat aufeinander treffen. Dies ist die Voraussetzung für eine Reaktion.Dazu gibt es auch die RGT-Regel (Reaktionsgeschwindigkeits-Temperatur-Regel), welche besagt, dass die Reaktionsgeschwindigkeit pro 10°C um das 2-fache steigt.

 

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Bei 40°C konnten wir das Temperaturoptimum für die Reaktionsgeschwindigkeit der Katalase festlegen.Dass die Reaktion ab 60°C gar nicht mehr stattfindet, liegt daran, dass die Enzyme zu der Stoffgruppe der Proteine zählen. Diese denaturieren ab 60°C.Dies bedeutet, dass sich ihre Struktur verändert hat und keine Substratumsetzung mehr stattfinden kann.

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Dann wurde überprüft, welchen Einfluss der pH -Wert hat, indem die Reaktionsgeschwindigkeit bei 6 unterschiedlichen pH-Werten gemessen wurde (gleiches Verfahren wie bei Versuch 1).

Der pH-Wert gibt an, wie sauer oder alkalisch eine wässrige Lösung reagieren kann. D.h. ob mehr H+-Ionen (sauer) oder mehr OH--Ionen (basisch) vorliegen. Ein pH-Wert von 7 (z.B. bei Wasser) ist neutral.

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Bei den Unterschiedlichen pH-Werten konnten wir beobachten, dass die Katalase am besten bei einem Wert von etwa 7 arbeitet.Je weiter die Lösung von diesem pH-Optimum abwich, desto langsamer lief die Reaktion ab.

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Als nächstes wurde überprüft, welchen Einfluss die S ubs tratkonzentration hat, indem die Reaktionsgeschwindigkeit bei 6 unterschiedlichen Lösungsverhältnissen gemessen wurde (gleiches Verfahren wie bei Versuch 1).

Dazu wurde die 30%tige Wasserstoffperoxid-lösung jeweils mit destilliertem Wasser auf die gewünschte Menge verdünnt. Von dieser Substratlösung wurden dann jeweils 20ml pipettiert.

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Die Ergebnisse stimmten mit den Beobachtungen aus Versuch 1 überein. Je mehr Substrat, desto langsamer die Reaktions-geschwindigkeit, da die Substrate um die Enzyme konkurrieren.Dem konnte entgegengewirkt werden, indem man die Enzymkonzentration anpasste.

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Als letztes wurde überprüft, welchen Einfluss die E nzymkonzentration hat, indem die Reaktionsgeschwindigkeit bei 6 unterschiedlichen Enzymkonzentrationen gemessen wurde (gleiches Verfahren wie bei Versuch 1).Auch hier wurde die gewünschte Konzentration durch Verdünnen mit destilliertem Wasser erreicht.

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Wir konnten beobachten, dass die Reaktion bei einer bestimmten Enzymkonzentration das Optimum zur Substratumsetzung hat, da in diesem Fall alle Substrate umgesetzt werden konnten.

Bei einer vom Optimum abweichenden Enzym-konzentration hingegen war die Reaktionsgeschwindigkeit herabgesetzt, da nicht alle Substrate schnellstmöglich in das aktive Zentrum des Enzyms gelangen konnten.

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Aus wertung E rg ebnis s eUm die unterschiedlichen Faktoren und ihre Auswirkungen auf die Enzymaktivität zu beurteilen, stellten wir unsere Ergebnisse tabellarisch gegenüber.

Zur Veranschaulichung erstellten wir zudem Kurvendiagramme. Bei dieser Gelegenheit lernten wir auch den Umgang mit Exeltabellen kennen.

Anhand dieser Auswertungen konnten wir nun die optimalen Arbeitsbedingungen für Katalase ermitteln.

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Das Optimum für die Substratumsetzung durch Katalase liegt bei

• einer Umgebungs- temperatur von: 40°C• Einem pH-Wert von: 7• Einer Substrat- konzentration von: 3%• Einer Enzym-

konzentration von: 40%

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Quellen:

• Julab• Experimentergebnisse• theoretische Unterrichtseinheit

Enzyme