Exploring Enzyme

Schlüsselkonzepte
Biologie
Biochemie
Enzyme
Physiologie
Chemie

Einführung
Haben Sie sich jemals gefragt, wie alle Lebensmittel, die Sie essen verdaut wird? Es ist nicht nur die Säure in Ihrem Magen, die Ihre Nahrung abbaut—viele kleine Moleküle in Ihrem Körper, Enzyme genannt, helfen auch dabei. Enzyme sind spezielle Arten von Proteinen, die chemische Reaktionen beschleunigen, z. B. die Verdauung von Nahrungsmitteln im Magen., Tatsächlich gibt es Tausende verschiedener Enzyme in Ihrem Körper, die rund um die Uhr arbeiten, um Sie gesund und aktiv zu halten. In dieser wissenschaftlichen Aktivität untersuchen Sie eines dieser Enzyme namens Katalase, um herauszufinden, wie es Ihren Körper vor Schäden schützt.

Hintergrund
Enzyme sind essentiell für unser Überleben. Diese Proteine, die von unseren Zellen hergestellt werden, helfen dabei, Chemikalien in unserem Körper umzuwandeln und fungieren als Katalysator., Ein Katalysator startet Reaktionen und lässt sie schneller ablaufen, indem er die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht, die sonst möglicherweise gar nicht oder zu lange dauert, um das Leben aufrechtzuerhalten. Ein Katalysator nimmt jedoch nicht an der Reaktion selbst teil—wie funktioniert das? Jede chemische Reaktion benötigt ein Minimum an Energie, um dies zu erreichen. Diese Energie wird Aktivierungsenergie genannt. Je niedriger die Aktivierungsenergie einer Reaktion ist, desto schneller findet sie statt. Wenn die Aktivierungsenergie zu hoch ist, tritt die Reaktion nicht auf.,

Enzyme haben die Fähigkeit, die Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion durch Wechselwirkung mit ihren Reaktanten (den Chemikalien, die die Reaktion durchführen) zu senken. Jedes Enzym hat eine aktive Stelle, an der die Reaktion stattfindet. Diese Stellen sind wie spezielle Taschen, die ein chemisches Molekül binden können. Die Verbindungen oder Moleküle, mit denen das Enzym reagiert, werden als Substrate bezeichnet. Die Enzymtasche hat eine spezielle Form, so dass nur ein bestimmtes Substrat daran binden kann, genau wie nur ein Schlüssel in ein bestimmtes Schloss passt., Sobald das Molekül an das Enzym gebunden ist, findet die chemische Reaktion statt. Dann werden die Reaktionsprodukte aus der Tasche freigesetzt und das Enzym ist bereit, mit einem anderen Substratmolekül von vorne zu beginnen.

Katalase ist ein sehr häufiges Enzym, das in fast allen Organismen vorhanden ist, die Sauerstoff ausgesetzt sind. Der Zweck der Katalase in lebenden Zellen besteht darin, sie vor oxidativen Schäden zu schützen, die auftreten können, wenn Zellen oder andere Moleküle im Körper mit oxidativen Verbindungen in Kontakt kommen. Dieser Schaden ist ein natürliches Ergebnis von Reaktionen in Ihren Zellen., Die Reaktionen können Nebenprodukte wie Wasserstoffperoxid enthalten, die für den Körper schädlich sein können, ebenso wie ein Nebenprodukt eines schönen Lagerfeuers unerwünschter Rauch sein kann, der Sie husten lässt oder Ihre Augen sticht. Um solche Schäden zu verhindern, hilft das Katalase-Enzym, diese Verbindungen loszuwerden, indem Wasserstoffperoxid (H2O2) in harmloses Wasser und Sauerstoff zerlegt wird. Möchten Sie das Katalyseenzym in Aktion sehen? Bei dieser Aktivität entwaffnen Sie Wasserstoffperoxid mit Hilfe von Katalase aus Hefe.,oder Schutzbrille

Zubereitung

• Nehmen Sie eine Tasse und lösen Sie die Trockenhefe in etwa einer halben Tasse warmem Leitungswasser auf., Das Wasser sollte nicht zu heiß sein, aber nahe an der Körpertemperatur (37 Celsius). Lassen Sie die gelöste Hefe mindestens fünf Minuten ruhen.
• Beschriften Sie mit dem Permanentmarker die verbleibenden vier Tassen von eins bis vier.
• Zu allen beschrifteten Tassen einen Teelöffel Spülmittel hinzufügen.
• Zu cup one werden an dieser Stelle keine weiteren Ergänzungen vorgenommen.
• Bevor Sie das Wasserstoffperoxid verwenden, ziehen Sie Ihre Schutzbrille an, um Ihre Augen zu schützen. Wenn Sie Wasserstoffperoxid verschütten, reinigen Sie es mit einem feuchten Papiertuch. Wenn Sie es auf Ihre Haut bekommen, spülen Sie den betroffenen Bereich mit viel Wasser aus.,
• Zu tasse zwei, fügen sie einen esslöffel 3 prozent wasserstoffperoxid lösung. Verwenden Sie einen frischen Löffel für das Wasserstoffperoxid.
• Um Tasse drei, fügen Sie zwei Esslöffel Wasserstoffperoxid.
• Zu Tasse vier, fügen Sie drei Esslöffel Wasserstoffperoxid.
• Optional können Sie jedem beschrifteten Becher einen Tropfen Lebensmittelfarbe hinzufügen. (Sie können wählen eine andere farbe für jede für einfache identifizierung)

Verfahren

• Nehmen tasse nummer eins und ort es vor ihnen auf die arbeit bereich., Mit einem frischen Esslöffel einen Esslöffel der gelösten Hefelösung in die Tasse geben und leicht wirbeln. Was passiert, nachdem Sie die Hefe hinzufügen? Sehen Sie eine Reaktion?
• Legen Sie die Tasse Nummer zwei vor sich und geben Sie erneut einen Esslöffel Hefelösung in die Tasse. Sobald Sie das Enzym hinzufügen, reagiert die Katalase mit dem Wasserstoffperoxid? Können Sie die Reaktionsprodukte sehen, die gebildet werden?
• Fügen sie einen esslöffel hefe lösung zu tasse nummer drei. Sehen Sie die gleiche Reaktion? Ist das Ergebnis anders oder das gleiche im Vergleich zu Cup Nummer zwei?,
• Schließlich fügen sie einen esslöffel hefe lösung zu tasse nummer vier. Sehen Sie mehr oder weniger Reaktionsprodukte im Vergleich zu Ihren vorherigen Ergebnissen? Können Sie den Unterschied erklären?
• Stellen Sie alle vier Tassen nebeneinander und beobachten Sie Ihre Ergebnisse. Fand die enzymatische Reaktion in allen Bechern statt oder gab es eine Ausnahme? Wie sehen die Ergebnisse in jeder Tasse anders aus? Warum denken Sie, dass dies der Fall ist?
• Nehmen Sie nun die Tasse Nummer eins und geben Sie einen zusätzlichen Esslöffel 3 Prozent Wasserstoffperoxid in die Tasse. Wirbeln Sie die Tasse leicht, um die Lösung zu mischen., Was passiert jetzt? Wenn Sie sich all Ihre Ergebnisse ansehen, was ist Ihrer Meinung nach der limitierende Faktor für die Katalasereaktion in Ihren Bechern?
• Extra: Wiederholen Sie diese Aktivität, aber fügen Sie diesmal nicht Spülmittel zu allen Reaktionen hinzu. Was ist anders, wenn Sie die Spülmittel entfernen? Sehen Sie noch Schaumbildung?
• Extra: Bisher haben Sie die Wirkung der Substratkonzentration (H2O2) auf die Katalasereaktion beobachtet. Was passiert, wenn Sie die Substratkonzentration konstant halten, aber die Konzentration des Enzyms ändern?, Versuchen Sie, drei Esslöffel Wasserstoffperoxid verschiedene Mengen Hefelösung hinzuzufügen, beginnend mit einem Teelöffel. Beobachten Sie Unterschiede oder spielt die Konzentration der Katalase in Ihrer Reaktion keine Rolle?
• Extra: Was passiert, wenn die Umweltbedingungen für das Enzym verändert werden? Wiederholen Sie die Katalasereaktion, diesmal variieren jedoch Bedingungen wie der pH-Wert durch Zugabe von Essig (einer Säure) oder Backpulver (einer Base) oder ändern Sie die Reaktionstemperatur durch Erhitzen der Lösung in der Mikrowelle. Können Sie feststellen, welche Bedingungen für die Katalasereaktion optimal sind?, Gibt es Bedingungen, die die Katalaseaktivität eliminieren?
• Extra: Können Sie andere Quellen für Katalase-Enzyme finden, die Sie in dieser Aktivität verwenden könnten? Erforschen Sie, welche anderen Organismen, Pflanzen oder Zellen Katalase enthalten, und versuchen Sie, diese für Ihre Reaktion zu verwenden. Funktionieren sie genauso gut wie Hefe?

Beobachtungen und Ergebnisse
Sie haben wahrscheinlich viele Blasen und Schaum in dieser Aktivität gesehen. Was hat den Schaum erscheinen lassen? Wenn das Enzym Katalase mit seinem Substrat, Wasserstoffperoxid, in Kontakt kommt, beginnt es, es in Wasser und Sauerstoff zu zerlegen., Sauerstoff ist ein Gas und will daher der Flüssigkeit entweichen. Die Spülmittel, die Sie all Ihren Lösungen zugesetzt haben, können jedoch die Gasblasen einfangen, was zur Bildung eines stabilen Schaums führt. Solange Enzym und Wasserstoffperoxid in der Lösung vorhanden sind, wird die Reaktion fortgesetzt und Schaum erzeugt. Sobald eine der beiden Verbindungen aufgebraucht ist, stoppt die Produktbildung. Wenn Sie der Reaktion kein Spülmittel hinzufügen, sehen Sie Blasen, aber keine stabile Schaumbildung.,

Wenn kein Wasserstoffperoxid vorhanden ist, kann die Katalase nicht funktionieren, weshalb Sie in diesem Fall keine Blasen-oder Schaumproduktion sehen sollten. Nur wenn Wasserstoffperoxid verfügbar ist, kann die Katalasereaktion stattfinden, wie Sie wahrscheinlich in den anderen Bechern beobachtet haben. Tatsächlich ist die Katalasereaktion von der Substratkonzentration abhängig. Wenn Sie einen Überschuss an Enzym, aber nicht genug Substrat haben, wird die Reaktion durch die Substratverfügbarkeit begrenzt., Sobald Sie der Lösung mehr Wasserstoffperoxid hinzufügen, erhöht sich die Reaktionsgeschwindigkeit, da mehr Substratmoleküle mit dem Enzym kollidieren und mehr Produkt bilden können. Das Ergebnis ist eine zunehmende Menge an Schaum, die in Ihrem Becher produziert wird, wenn Sie die Menge an H2O2 in Ihrer Reaktion erhöhen. Sie sollten mehr Schaum gesehen haben, sobald Sie einen weiteren Esslöffel Wasserstoffperoxid zu Tasse eins hinzugefügt haben, was zu einer ähnlichen Menge an Schaum wie in Tasse zwei geführt haben sollte. Irgendwann erreichen Sie jedoch eine Substratkonzentration, bei der das Enzym gesättigt wird und zum limitierenden Faktor wird., In diesem Fall müssen Sie mehr Enzym hinzufügen, um die Reaktion erneut zu beschleunigen.

Viele andere Faktoren beeinflussen auch die Aktivität von Enzymen. Die meisten Enzyme funktionieren nur unter optimalen Umweltbedingungen. Wenn der pH-Wert oder die Temperatur zu stark von diesen Bedingungen abweicht, verlangsamt sich die Enzymreaktion erheblich oder funktioniert überhaupt nicht. Das haben Sie vielleicht bemerkt, wenn Sie die zusätzlichen Schritte in der Prozedur ausführen.

Cleanup
Gießen Sie alle Lösungen in die Spüle und reinigen Sie alle Löffel mit warmem Wasser und Spülmittel., Wischen Sie Ihren Arbeitsbereich mit einem nassen Papiertuch ab und waschen Sie Ihre Hände mit Wasser und Seife.

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