Enzyme Versuchsreihe
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Enzyme maßgeschneiderte Werkzeuge für den Stoffwechsel Einflussfaktoren auf die Leistung von Enzymen Alle Stoffwechselprozesse in den Zellen von Lebewesen werden durch Tausende unterschiedlicher Enzyme ermöglicht. Die Koordination und die Kontrolle übernimmt dabei das Erbgut, also die DNA. Die Natur hat durch Optimierungsprozesse über Milliarden von Jahren die effektivsten Katalysatoren hervorgebracht. Manches Enzymmolekül kann in einer Minute über eine Million anderer Moleküle bspw. zerlegen oder miteinander verknüpfen, je nachdem, welche Funktion es im Stoffwechsel einnimmt. Allerdings benötigen Enzyme für ihre Arbeit optimale Bedingungen, die die Zelle oder ein Organ eines Lebewesens bereitstellen muss. Diese Bedingungen können für unterschiedliche Enzyme stark voneinander abweichen. Enzyme sind auch sehr empfindlich gegen Umwelteinflüsse und können vergiftet oder so stark geschädigt werden, dass sie ihre Funktion nicht mehr erfüllen können. Dann fallen wichtige Stoffwechselprozesse aus und die Zelle stirbt. Sind viele Zellen betroffen, kann ein ganzes Organ betroffen sein und so zum Tod führen. Praktikum: Analyse von Einflussfaktoren Die Kenntnis der äußeren Einflussfaktoren auf die Leistung eines Enzyms ist wichtig. Dies gilt bspw. für den Einsatz von Medikamenten, für die Ernährung oder für biotechnologische Anwendungen, also für die Herstellung chemischer Produkte mit Hilfe von Mikroorganismen. Um die optimalen Bedingungen für die Enzymaktivität zu erforschen, sind umfangreiche Versuchsreihen notwendig. Unser Arbeitsauftrag: Untersuchung der Einflussfaktoren auf die Enzymaktivität von Katalase Die Mitarbeiter der Nanokosmos-AG erhalten den Auftrag, für das Enzym Katalase die äußeren Bedingungen herauszufinden, unter denen das Enzym optimal arbeitet. Am Anfang machten wir uns auch mit der chemischen Reaktion vertraut, die Katalase beeinflusst. Außerdem fanden wir etwas zur Funktion von Katalase heraus. Katalysierter Abbau von Wasserstoffperoxid durch Katalase Wasserstoffperoxid (H2O2) ist eine instabile Verbindung. Der beim Zerfall freigesetzte Sauerstoff ist ein starkes Oxidationsmittel. Die Oxidationskraft von Wasserstoffperoxid ist so groß, dass Kleinstlebewesen wie Bakterien getötet werden. Die Substanz wirkt daher desinfizierend. H2O2 und andere Peroxid-Verbindungen schädigen jedoch auch Zellen von höheren Organismen, wenn sie dort bei Stoffwechselreaktionen oder bspw. durch radioaktive Strahlung entstehen bzw. zerfallen. Sie können auch in menschlichen Zellen Stoffwechselreaktionen negativ beeinflussen, den Zelltod bewirken oder Mutationen und damit möglicher Weise sogar die Krankheit Krebs hervorrufen. In der viele Milliarden Jahre umfassenden Entwicklung der Lebewesen auf unserer Erde haben die Zellen biochemische Mechanismen entwickelt, um Zellgifte wie Wasserstoffperoxid zu unschädlichen Verbindungen abzubauen und die dabei anfallende Energie sogar noch zu nutzen. Sie benötigen für diese chemischen Reaktionen jedoch spezielle Moleküle („Werkzeuge“), die den kontrollierten Abbau in Gang setzen und beschleunigen. Das beim Wasserstoffperoxid wirksame Molekül wird Katalase genannt und gehört wie alle biochemischen Katalysatoren zur großen Gruppe der Enzyme. Von der chemischen Struktur gesehen sind alle Enzyme Einweißmoleküle oder Proteine. Wir diskutierten im Plenum, welche Faktoren wohl einen Einfluss auf die Enzymaktivität besitzen könnten, und sammelten die Vorschläge. Danach bildeten wir Teams, die sich auf einen oder zwei Einflussfaktoren konzentrierten. Damit wir die Ergebnisse miteinander vergleichen konnten, einigten wir uns darauf, dass alle Teams den gleichen Versuchsaufbau verwenden sollten. Wir überlegten, wie wir das Gas auffangen konnten und welche Versuchsgeräte es gab, das produzierte Volumen möglichst genau zu messen. Bei der Zersetzung von Wasserstoffperoxid wird Sauerstoff frei, der in einem Gefäß aufgefangen werden kann. Die Geschwindigkeit der Reaktion wird gemessen, indem die Volumenzunahme des Gases pro Zeiteinheit ermittelt wird. Um ausschließlich bspw. den Einflussfaktor Temperatur zu ermitteln, haben wir in der Versuchsreihe alle anderen Bedingungen (z. B. Druck, pH-Wert, Temperatur) konstant gehalten und nur die Enzymkonzentration variiert. Es waren auch Vorversuche notwendig, um Substrat- und Enzymkonzentrationen herauszufinden. Die Reaktionszeiten sollten so bemessen sein, dass wir beim Ablesen der Werte nicht einschlafen würden. Wir hatten aber zunächst eher das Problem, dass das „explosionsartig“ entstehende Gas nicht unsere Versuchsapparatur sprengte oder den Kolben unseres Kolbenprobers nicht in die Umlaufbahn schießen würde. Nur keine Panik! Panik! ☺ Oje, welche Lösung ? kommt zuerst Die Teams und ihre Aufgaben eam Teammitglieder Einflussfaktor auf die Enzymleistung 1 2 3 4 1 2 3 4 Mikela, Eleni, Selina, Anika, Tamara Angela, Bianka, Nicole, Marius Sandra, Katharina, Julia Wolfgang, Timo, Robbin, Patrick Mikela, Eleni, Selina, Anika, Tamara Angela, Bianka, Nicole, Marius Sandra, Katharina, Julia Wolfgang, Timo, Robbin, Patrick Enzymkonzentration Kochsalz-Konzentration Substratkonzentration pH-Wert Substratkonzentration Temperatur Lichtintensität giftige Salze Bläschenzähler bei der Arbeit: Bianka, Marius, Nicole und Angela Hier arbeitet der Chef persönlich: Patrick beim Ansetzen von Pufferlösungen. Chaoten unter sich: Dr. Schätzel versteht nicht, was Timo, Christopher und Robin so treiben. Bei den Mädchen läuft natürlich alles mal wieder perfekt. Gekonnte Teamarbeit bei Tamara, Eleni, Mikela und Selina. Verdammte Schrauberei: Irgendetwas sitzt immer schief. Sandra und Katharina lassen sich nicht aus der Ruhe bringen. Auswertung: Die graphische Auftragung der Messwerte wie z. B. in dem abgebildeten Diagramm hat viele unserer Annahmen bestätigt: Die Effektivität der Enzymkatalyse hängt ab von der Substratkonzentration (s. Diagramm): Je höher das Angebot an Substratmolekülen, umso mehr Moleküle werden von dem Enzym pro Zeiteinheit zerlegt. von der Kochsalzkonzentration: In Salzlösung verläuft die enzymatische Umsetzung schneller. Dabei konnten wir allerdings feststellen, dass eine sehr hohe Salzkonzentration die Reaktion wiederum hemmt. von der Temperatur: Die Geschwindigkeit der Sauerstoffproduktion steigt zunächst an. In sehr heißen Lösungen nimmt die Schnelligkeit wieder ab. Wird die Enzymlösung gekocht, erfolgt keine enzymatische Reaktion: Enzyme sind als Proteine sehr empfindlich gegenüber hohen Temperaturen; sie gerinnen. von der Enzymkonzentration: Die Reaktionsgeschwindigkeit steigt mit der Anzahl der Enzymmoleküle, die das Substrat umsetzen. vom pH-Wert: Der pH-Wert kann in der Natur und im Organismus stark schwanken. Er muss daher für jedes Enzym möglichst optimal eingestellt sein. In unseren Versuchen erzielten wir die besten Ergebnisse in einem leicht sauren Milieu. Dagegen besitzt Licht keinen Einfluss auf die Effektivität der Katalase. Die Reaktion läuft auch im Dunkeln ab. Weitere Diagramme haben wir euch erspart, sind aber noch irgendwo gebunkert. Kritische Einschätzung Insgesamt fiel uns das gesamte Projekt doch sehr schwer. Als Schüler des 9. Jahrgangs hatten wir noch wenig über Enzyme, Proteine und Katalyse gehört, außer im Biologieunterricht im Zusammenhang mit Ernährung. Außerdem merkten wir, wie schwierig es ist, aus den Experimenten und unseren Versuchsapparaturen exakte, reproduzierbare Messwerte zu erhalten. Manchmal war ein Stopfen undicht, dann kamen wir mit den Messungen nicht hinterher oder pipettierten ungenau. Auch hätten wir genauere Vormessungen machen müssen. Wir lernten also, wie schwer es eigentlich ist und wie lange es dauert, aus Experimenten Diagramme zu erhalten, aus denen man wirklich genaue Aussagen treffen kann. Wir waren letztlich froh, dass wir aus unseren Messungen wenigstens qualitativ den Einfluss auf die Effektivität der Katalase-Reaktion ablesen konnten, ohne genau die optimalen Bedingungen erfassen zu können. Es war auch ganz schön krass, so im Team zu arbeiten. Man merkte sehr schnell, auf wen man sich verlassen konnte. Das war eine ganz neue Erfahrung. Insgesamt hat es aber trotzdem Spaß gemacht. Man müsste so ein Projekt öfter durchführen, damit es besser klappt.
