Enzyme und ihre Wirkung

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eine Schaumbildung beinahe gänzlich. Die Glimmspanprobe in Glas 1 war positiv, wenn auch nur kaum erkennbar: 6. Auswertung: Die Reaktion war eine Redoxreaktion. Dabei wird Wasserstoffperoxid zu Wasser und Sauerstoff zersetzt. Der Katalysator für diese Reaktion ist die Katalase, ein auch im menschlichen Körper vorkommendes Enzym. Folgende Redoxreaktion läuft allgemein ab: Oxidation: H₂O2-0₂ +2e + 2 Hº Reduktion: H₂O₂ +2e + 2 H2 H₂O Gesamtreaktion: 2 H₂O₂ → O₂ T + 2 H₂O SKRIPT ZUR WIRKUNGSWEISE VON ENZYMEN GLAS 1: Hier liegt reines Wasserstoffperoxid vor, also keine Behinderung" an der Reaktion. Dies sorgt für die größte Schaumbildung, da die Reaktion ungehindert ablaufen kann. GLAS 2: Die Farbe des Universalindikators hat sich nicht merklich im Gegensatz zu Beginn verändert. Hier ist aber eine deutlich geringere Schaumbildung zu erkennen. Damit die Katalase reagieren kann, ist ein weitestgehend neutraler pH-Wert von Nöten, da die Enzymaktivität nicht nur von der Temperatur, sondern auch vom pH-Wert abhängig ist. Durch die Zugabe von Salzsäure haben wir den pH-Wert stark reduziert (zwischen 1 und 2), sodass die Enzymaktivität merklich gesunken ist und somit nicht alles hat reagieren können. ✓ GLAS 3: In diesem Glas wurde zunächst Kupfersulfat zugegeben. Das Enzym wird durch (Schwer-) Metallionen geschädigt, wodurch die Tätigkeit der Katalase noch mehr gehemmt wird. Deshalb lässt sich daraus schließen, dass die Ruhezeit zum Einwirken der lonen gedacht war. Durch diese Hemmung ist kaum eine Enzymaktivität mehr möglich, weshalb beinahe kein Schaum zu sehen ist. 7. Ergebnis: Durch immer stärker sinkende Enzymaktivität wird die Schaumbildung immer weiter reduziert. Daraus folgt, dass Katalase bspw. abhängig von dem pH-Wert ist und dass bestimmte Stoffe die Enzymaktivität weitestgehend einschränken können. 8. Fehlerbetrachtung: Mögliche Fehlerquellen sind: ● Falsche Konzentration der Wasserstoffperoxidlösung . Falsche Konzentration der Salzsäure • Falsche Mengenangaben • Kupfersulfatlösung schon alt und nicht mehr stark genug, um die Enzymaktivität einzuschränken Diese haben jedoch kaum einen Einfluss, da die Reaktion trotzdem abläuft und keine Mengen o.Ä. bestimmt werden müssen. T 4 SKRIPT ZUR WIRKUNGSWEISE VON ENZYMEN 1.2 PH-OPTIMUM VON KATALASE AUS KARTOFFELN 1. Materialien: . Kartoffeln • Teller Regenzglasständer mit 9 Reagenzgläsern ● Kleines Becherglas mit Graduierung ● Pasteurpipetten | 5 ● ● Spatel ● Glasstab 2. Chemikalien: ● ● pH-Teststäbchen bzw. Universalindikatorpapier Verdünnte Salzsäure (c = 0,5 mol/L) Verdünnte Natronlauge (c = 1 mol/L) Wasserstoffperoxid 3. Aufbau: • Tropfen HCL Reagenzglasstander mit 9 RG My 2 Tropfen HOL Ray & trop- For ADOH Ra 2 Tropfen NOON 8 Tropfen Nack 4. Durchführung: Neun Reagenzgläser werden in 1 und 2 cm Höhe mit einem Markierstrich versehen. Eine Kartoffel wird fein gerieben. Nun werden die Reagenzgläser jeweils bis zur ersten Markierung mit der Kartoffelmasse befüllt. Dann versetzt man mit Hilfe der Pasteurpipetten ● 6 ● ● ● ● ● SKRIPT ZUR WIRKUNGSWEISE VON ENZYMEN ● RG₁ mit 8 Tropfen Salzsäure RG₂ mit 4 Tropfen Salzsäure RG3 mit 2 Tropfen Salzsäure RG4 mit 1 Tropfen Salzsäure RGS bleibt unbehandelt RG6 mit 1 Tropfen Natronlauge RG, mit 2 Tropfen Natronlauge RGB mit 4 Tropfen Natronlauge RG9 mit 8 Tropfen Natronlauge Die Reagenzen sollen nun zwei Minuten auf die Masse einwirken. Anschließend werden alle neun Reagenzgläser zügig bis zur zweiten Markierung mit Wasserstoffperoxidlösung befüllt. Der pH-Wert aller Proben wird bestimmt. 5. Beobachtung: Bis zum fünften Reagenzglas steigt der Schaum, anschließend fällt er wieder ab: 14 MINE Saper T Beim Messen des pH-Wertes ergibt sich folgende Färbung: NIITIT: Man sieht also bei höheren pH-Werten zunächst bis zum pH-4 einen Anstieg. Anschließend fällt die Kurve wieder. 6. Auswertung: Höhe 1,5 cm 1 pH 12 SKRIPT ZUR WIRKUNGSWEISE VON ENZYMEN 10 8 Aus diesen Werten erhalten wir folgendes Diagramm: 4 5 cm 1,5 5 cm 2 2 6 cm 3 11 cm 9,5 cm 6 4 Höhe [cm] 6 8,5 cm 6,5 cm 7 8,5 8 10 6 cm 9 basisel SKRIPT ZUR WIRKUNGSWEISE VON ENZYMEN Aus diesem Diagramm lassen sich die Werte nur bedingt ermitteln; Das Finden von Literaturwerten ist nicht gelungen. Jedoch sollte das pH-Optimum der Katalase im leicht. sauren Bereich liegen. Dies liegt daran, dass durch den hohen / niedrigen pH-Wert mehr Ladungen (H30+-lonen und OH-Ionen bspw.) aufgenommen werden können. Dadurch wird die Tertiärstruktur des Proteins verändert, wodurch das Enzym nicht mehr arbeiten kann. Dies geschieht bereits bei geringen pH-Wert-Änderungen, d.h. bei pH-Werten von unter 6 und über 8. Bei steigendem oder fallendem pH-Wert verändert sich die Tertiärstruktur immer mehr, bis die Katalase schließlich denaturiert ist und nicht mehr arbeiten kann. 7. Auswertung Das Enzym Katalase ist vom pH-Wert abhängig; Sein pH-Optimum liegt im leicht sauren Milieu von etwa 6,2 bis 6,9. Damit wurde unsere Theorie aus Aufgabe 1, Enzyme seien pH-Wert abhängig, bestätigt. 8. Fehleranalyse In unserer Grafik ist erkennbar, dass die Werte kleine Abweichungen haben und das Optimum beim pH-Wert 4 liegt. Dies kann folgende Ursachen haben: 1 | 8 ● ● Zu viel Kartoffelmasse in einigen Reagenzgläsern Zu viel / zu wenig Salzsäure / Natronlauge in den entsprechenden Reagenzgläsern Fehler beim Ablesen der Höhe und des pH-Wertes pH-Wert: Eventuell waren andere Stoffe vorher im Reagenzglas, die den pH-Wert beeinflusst haben 1 2. WEITERE VERSUCHE ZU ENZYMENC 2.1 TEMPERATURABHÄNGIGKEIT DER ALKOHOLISCHEN GÄRUNG 1. Material: 9 ● Gärungssaccharimeter . Verschieden warme Orte 2. Chemikalien: ● Glucose Wasser SKRIPT ZUR WIRKUNGSWEISE VON ENZYMEN ● ● Trockenhefe 3. Durchführung: a) Es wird eine Suspension von ½ Päckchen Trockenhefe in 50 ml Wasser hergestellt. b) 5g Glucose werden in 50 ml Wasser gelöst. c) Die Ansätze aus a und b werden nun vermischt. d) Je 10 ml des Gemisches werden in die Gärungssaccharimeter luftblasenfrei eingefüllt. e) Die Versuchsansätze werden nun für je 20 Minuten an verschiedenen Orten aufgestellt. Die Thermometer werden danebengelegt und nach Ablauf der Zeit die erreichte Höhe im Saccharimeter sowie die Temperatur notiert. 4. Aufbau: V Gärungssaccharimeter (befüllt mit Lösung a+b) 1 5. Beobachtung: Bei einer Temperatur von etwa 40°C, d.h. auf dem Heizkörper, ist das entstandene Volumen des Gases am geringsten. Bei steigender Temperatur bis 40°C nimmt auch das Volumen zu, anschließend nimmt es wieder ab. Tabelle: Saccharimeter 1 Temperatur 10°C Hohelvico₂) Oitini 6. Auswertung: Diagramm: V(CO₂) in ml SKRIPT ZUR WIRKUNGSWEISE VON ENZYMEN 10 5 2 5 ² 2018°C $32,7°C 40.4°C ³80 °C 2.2 ml 7ml 6 ml Oml tostatikaila Temperaturoptimum 10 ५० → die Enzyme denaturieren früher (bei etwa 60°C)! 30 4 mitallalla EST in °C allerdings schon 50 60 70 80 SKRIPT ZUR WIRKUNGSWEISE VON ENZYMEN Das Temperaturoptimum sollte allerdings bei etwa 37°C liegen: h[on] ↑ | 11 Abhängigkeit der Enzymaktivität von der Temperatur ● 40 Von einer Denaturierung spricht man, wenn die Sekundär- und Tertiärstruktur des Enzyms verändert wird, sodass es nicht mehr arbeiten kann. Bei der Gärung geschieht Folgendes: Glukose wird zu zwei Molekülen Brenztraubensäure (2-Oxypropansäure) aufgespalten. Dabei beträgt ,,Energiegewinn" 2 ATP (Adenosintriphosphat). Durch die darauffolgende Decarboxylierung Entsteht zunächst das Aldehyd Ethanal. Ethanal wird nun durch Reduktion zu Ethanol. Denaturering der Enzyme SKRIPT ZUR WIRKUNGSWEISE VON ENZYMEN Diese Reaktion findet im Groben auch im Gärungssaccharimeter statt; durch die Decarboxylierung entsteht CO2, da dieses ja entzogen wird und frei wird. Durch das Entfernen des CO2 reagiert der Zucker völlig ab. Die Enzyme in der Hefe sind für diesen Prozess verantwortlich; Bei einer Denaturierung kann der obige Prozess nicht mehr stattfinden. 1 Schematisch sieht der Vorgang wie folgt aus: SKROPT ZUR WIRKUNGSWEISE VON ENZYMEN H H-C-C₂ 12 Decarbo- xylierung ● 01 "H H Ethanal mynd C6H12O6 (Glukose) 3H6Q3 [..Energiege- 2 NADNACH/H') winn" 2ATP 27 Rod 2 Brenztraubensäure (2-Oxypropansäure) H +I H-C-C-C -CO₂ 81 H-O. Reduktion NADH/H* (Ox >NAD+ 7. Ergebnis: Bei zu hohen oder zu niedrigen Temperaturen denaturieren die Enzyme in der Hefe, sodass die Gärung nicht mehr stattfinden kann und sich somit kaum CO₂ bildet. Das Temperaturoptimum der Hefeenzyme, d.h. die Temperatur, bei der die Enzyme am effektivsten arbeiten, liegt hier etwa bei der Körpertemperatur. Auch hier greift die RGT- Regel. Diese besagt in etwa, dass bei einer Temperaturerhöhung um 10K die Reaktionsgeschwindigkeit verdoppelt bis vervierfacht wird. 8. Fehlerbetrachtung: Bei einem solchen Versuch können folgende Fehler auftreten: Falsches Einfüllen der Lösungen in das Saccharimeter Ungenaues Ablesen der Werte Unterschiedliche Konzentration der Zuckerlösungen H H-Ć-Ć-O-H 1 Ethanol 2.2 UNTERSUCHUNG DER TEMPERATURABHÄNGIGKEIT AMYLASE 1. Materialien: ● 2. Chemikalien: ● Thermometer · Reagenzgläser ● Uhr mit Sekundenzeiger ● 1 13 Wasserbäder (d.h. Bechergläser) • Stärkelösung 0,02% Lugolsche Lösung Amylasesuspension oder Speichel 3. Aufbau: SKRIPT ZUR WIRKUNGSWEISE VON ENZYMEN ● 7 7 7 7 7 7 10 °C 20°C 40°C 50°C => Sechs Reagenzgläser mit den Lösungen in Wasserbädern unterschiedlicher Temperatur 4. Durchführung: ● Erhaltene Werte: 30°C Die Reagenzgläser werden in die vorbereiteten Wasserbäder gestellt. Nach ca. 10 Minuten werden die Temperaturen in den Lösungen gemessen. In jedes Reagenzglas werden ca. 1 ml Speichel oder Amylaselösung gegeben und die Zeit bis zur völligen Entfärbung wird gemessen. 5. Beobachtung: Die Stärkelösung wird jeweils 5 cm hoch in die Reagenzgläser gefüllt. Einige Tropfen Lugolsche Lösung werden nun so lange in die Reagenzgläser gegeben, bis diese nach Schütteln eine deutliche Blaufärbung zeigen. Rggl. 1 2 3 4 5 6 T in °C 10 2018 4014 DES STÄRKEABBAUS DURCH 63 Tin s 3505 3A2S 60°C 2275 8 SKRIPT ZUR WIRKUNGSWEISE VON ENZYMEN Das Reagenzglas mit 40°C Temperatur hat sich am schnellsten entfärbt, Das Reagenzglas mit 60°C sehr langsam bzw. gar nicht, das Reagenzglas mit 50°C langsam, das Reagenzglas mit 10°C ebenfalls langsam und die anderen beiden Reagenzgläser mäßig schnell. 6. Auswertung: Diagramm: Enzymakti- vitat in % Temperaturoptimum Tin °C 40 20 30 40 50 60 In dem Diagramm ist die Abhängigkeit der Enzymaktivität von der Temperatur dargestellt. Die x-Achse gibt die Temperatur an, die y-Achse die Aktivität der Enzyme (bzw. die Zeit bis zur Entfärbung). Man erkennt, dass die Kurve bis zum Optimum (etwa bei 37°C) exponentiell ansteigt, danach allerdings etwa in der Form einer nach unten geöffneten Parabel fällt. Somit lässt sich auch hier auf den ersten Teil die RGT-Regel anwenden. Der exponentielle Anstieg bis zum Optimum gibt genau den Sachverhalt an, den die RGT-Regel beschreibt. Nach dem Optimum ist sie nicht mehr anwendbar, da die Form einer Parabel entspricht und die Enzyme auch allmählich denaturieren. Dies heißt, die Sekundär- und Tertiärstruktur des Enzyms verändern sich und haben irreversible Schäden. Diese lassen sich nicht mehr rückgängig machen; Das Enzym ist nicht mehr aktiv und somit findet auch keine Entfärbung bei T = 60°C, = 60°C mehr statt, da an diesem Punkt der Denaturierungspunkt des Enzyms liegt. Amylase ist ein Enzym, das im menschlichen Speichel vorhanden ist. Es zersetzt Stärke zu Sacchariden, weshalb bspw. lange gekautes Toastbrot irgendwann süßlich schmeckt. Dieses Enzym arbeitet bei Körpertemperatur am idealsten. Die Lugolsche Lösung ist ein Stärkenachweis; Wird die Stärke zersetzt, so entfärbt sich die Stärkelösung, da irgendwann keine Stärke mehr vorhanden ist. 14 1 15 7. Ergebnis: SKRIPT ZUR WIRKUNGSWEISE VON ENZYMEN Amylase ein Enzym, welches Stärke zersetzt hat sein Temperaturoptimum bei Körpertemperatur, also bel 37°C. Somit arbeitet es dort am effektivsten, während es bei 60°C bereits denaturiert. 8. Fehlerbetrachtung: Bei diesem Versuch können folgende Fehler auftreten: Falsche Temperatur Falsche Messwerte der Zeit • Stärkelösung hatte eine andere Konzentration Temperatur hat sich im Laufe der Zeit geändert, d.h. die Amylase arbeitet mal stärker und mal schwächer, was die Ergebnisse beeinflusst Durch das Schütteln ist die Reaktionsgeschwindigkeit größer; Somit wäre die Enzymaktivität nicht nur von der Temperatur abhängig, was das Ergebnis verfälschen würde