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Schule > Biologie > Grundlagen der Biologie > Proteine (Eiweiße) und Enzyme > Enzyme-Zusammenhang zwischen der Enzymaktivität und äußeren Faktoren

Protokoll

Name: Anika Steinert Fach: Biologie
Kurs: 4 Datum: 21.12.2005
THEMA: Enzyme – Zusammenhang zwischen Enzymaktivität und der Wirkung äußerer Faktoren
I. Temperatur

1. Aufgabe:
Weisen Sie experimentell nach, ob zwischen der Temperatur und der Enzymaktivität ein Zusammenhang besteht!

2. Literatur:
-Biologie heute S II - Schroedel
-Materialien für den Sekundarbereich II „Stoffwechselphysiologie“
-Wissensspeicher Biologie

3. Vorüberlegungen:
3.1 Beschreiben sie die Struktur, Wirkungsweise von enzymen und den Ablauf einer Enzymreaktion!

a) Struktur:
Enzyme gehören zur Stoffgruppe der Eiweiße
Enzyme können Proteine bzw. Proteide sein
Bei Proteiden hat das Enzym einer Nichtproteinverbindung an das Eiweißmolekül (Apoenzym) gebunden
Nichtproteinverbindung nennt man Coenzym, wenn die Bindung locker und abspaltbar ist und postethische Gruppen, wen die Bindung unablösbar fest gebunden ist.
Nichtproteinverbindung kann auch als Cofaktor bezeichnet werden, welcher aus organischen Molekülen besteht und je nach diesem dem Enzym dem Namen gibt
b) Wirkungsweise
Enzym wirken selektiv (Schlüssel-Schloss-Prinzip des aktiven Zentrums)

Enzyme wirken spezifisch
substratspezifisch: wird durch das APO-Enzym bestimmt, da das Substrat am aktiven Zentrum umgesetzt wird -> Substrat und Enzym müssen zueinander passen
Reaktionsspezifität: wird durch das Coenzym und durch das APO-Enzym bestimmt, z.B. FAD macht H-Übertragung -> FADH
Enzyme wirken katalytisch, indem sie die Stoffwechselprozesse steuern
Enzyme setzten die Aktivierungsenergie ab
Enzyme erhöhen dadurch die Reaktionsgeschwindigkeit unter physiologischen Bedingungen -> kürze Reaktionszeit
Enzyme gehen unverändert aus der Reaktion hervor, sind wiederholt einsetzbar

c) Ablauf einer Enzymreaktion
I: Bindung des Substrats am aktiven Zentrum des Enzyms (man nimmt 3 Haftpunkte an , die dem Substrat als Orientierung dienen) = Schlüssel-Schloss-Prinzip
Es entsteht der reversible Enzym-Substrat-Komplex
II: Energieverbrauchende Reaktion, die zu Zerlegung des Substrats führt, dabei wird das Coenzym verändert, denn es beteiligt sich an der Reaktion und wird später regeneriert
III: Trennung von Enzym und Produkt ; ist irreversibel ; ist unverändert und kann ein neues Substrat binden
3.2 Verschaffen Sie sich einen überblick über die Struktur der Eiweiße und über mögliche durch äußere Faktoren bedingte Strukturveränderungen!

a) Eiweißstrukturen:

Primärstruktur:
Proteine unterscheiden sich in der Art, Anzahl und Reihenfolge der Aminosäuren -> Aminosäuresequenz

Sekundärstruktur:
Helix-,Faltblatt-, Schraubenstruktur können nebeneinander in einem Proteinmolekül vorkommen
Helix- und Faltblattstruktur nebeneinander angeordnet sind für die meisten Proteine charakteristisch

Tertiärstruktur:
ergibt sich aus der dreidimensionalen Anordnung der geformten Polypeptidketten
Wasserstoffbrücken und zwischen Polypeptidketten

Quartärstruktur:
mehrere in Tertiärstruktur vorliegende Polypeptidketten
Proteine sind makromolekulare Stoffe. Sie sind aus komplizierten Polypeptiden aufgebaut und haben in Lebewesen einen bereutesten Anteil an den gesamten Lebensprozessen.
b) Strukturveränderung durch äußere Einwirkungen
Eine Strukturveränderung durch äußere Faktoren wäre die Veränderung durch Tertiär- und Sekundärstruktur der Eiweißmoleküle (Denaturierung). Säuren, Alkohole, Schwermetalle oder die Temperatur können z.B. solche Faktoren sein Wenn die Proteine irreversibel verändert (geschädigt) werden und dadurch kann es zur Gewinnung kommen. Die Folge wäre dann, dass die Eiweiße die Lebensfunktion nicht mehr ausführen können.

4. Geräte, Chemikalien
Reibe, Chemikalienlöffel, Reagenzgläser, Reagenzglasständer, Brenner, Dreifuß, Becherglas, Thermometer
Kartoffelpresssaft, Wasserstoffperoxyd, Wasser
5. Durchführung
Stellen sie mittels Reibe einen Kartoffelpresssaft aus rohen Kartoffeln her!
Schöpfe Sie mit den Chemikalienlöffel den Zellsaft ab und füllen sie in zwei Reagenzgläser 3ml ab.
5.1 Kontrollreaktion bei Zimmertemperatur

nach Zugabe von H O ,Reaktion der beiden Stoffe:
starkes Aufschäumen der Lösung (O entsteht)
Entstehung von weißem, relativ festem Schaum
Entfärbung des Kartoffelpresssaftes -> Wasser entsteht
Menge der Flüssigkeit im Reagenzglas nimmt ab
Wärmeabgabe, exotherme Reaktion (hohe Enzymaktivität)
2 H O -> O + 2H O
5.2 Untersuchungsreaktion bei ca.80°C
beim Erhitzen des Zellsaftes auf ca. 75° C tritt ein Farbumschlag von gelb-braun auf milchig gelb-weiß auf
vereinzelt treten kleine weiße Geriesel (Flocken) auf, Hindeutung auf Denaturierung der Eiweiße
nach Zugabe von H O
keine Veränderung der Flüssigkeit im Reagenzglas
keine Reaktion zwischen erhitztem Zellsaft und H O
Enzyme sind inaktiv -> keine Spaltung
keine Schaumbildung
2 H O -> keine Reaktion

6. Auswertung:
Bei der Kontrollrektion reagiert das Wasserstoffperoxyd unter Einwirkung des Enzyms im Saft der Kartoffel. Dabei entstehen Sauerstoff und Wasser. Durch die Enzyme beginnt sich das Wasserstoffperoxyd aufzuspalten, in wasser und in Sauerstoff. Das Enzym aus dem Kartoffelpresssaft (enzymhaltige Lösung, Katalase) ist der Katalysator für die Spaltung des
H O . Enzyme bestehen zum größten Teil aus Eiweißen. Wie man es in der Vorüberlegung 3.2 sieht, können Eiweiße denaturiert werden, z.B. durch den äußeren Einfluss der Temperatur. Außerdem wurde in der Vorüberlegung herausgestellt, dass nach dem man Eiweiße stärkeren Einwirkungen der Faktoren aussetzt, das Protein irreversibel verändert wird.
Es wurde denaturiert und kann somit seine Funktion nicht mehr ausüben. Das Gleiche ist geschehen, nachdem der Kartoffelsaft in unserem Experiment erhitzt wurde. Die Eiweiße wurden durch die hohe Temperatur in den Enzymen denaturiert. Wie es an der Kontrollreaktion zu sehen ist, haben sie ihre Aufgabe verloren. H O konnte nur mit dem Enzym als Katalysator gespalten werden. Da aber die Proteine in den Enzymen, nach Erhöhung der Temperatur denaturiert sind, können die Enzyme ihre Aufgabe nicht mehr erfüllen. Denn die Eiweiße können es auch nicht, somit hat das H O keinen Katalysator, der die Reaktion antreibt.. da nach dm hinzufügen von h o , in den erhitztem Kartoffelpresssaft keine Reaktionen stattfinden, ist erwiesen, dass zwischen der Temperatur und er Enzymaktivität ein Zusammenhang besteht. Dieser ist, wenn die Temperatur zu groß ist, die Aktivität der Enzyme eingeschränkt wird.
II. Schwermetallionen

1. Aufgabe:
Weisen Sie experimentell nach, ob zwischen der Anwesenheit von Schwermetallionen und der Enzymaktivität ein Zusammenhang besteht.

2. Literatur:
-Biologie heute S II – Schroedel
-Materialien für den Sekundarbereich II 2Stofwechselphysiologie“ -Wissensspeicher Biologie
3. Vorüberlegungen
3.1 siehe unter I Temperatur
3.2 siehe unter I Temperatur
3.3 Werten Sie die ökologische Bedeutung von Schwermetallionen für die lebende Natur!
a) Durch Meeresverschmutzung gelangt der Schadstoff Quecksilber in die Nahrungskette. Dort reichern sie sich an und könne zu einer Gefahr für die Gesundheit werden. Die Nahrungskette wird dadurch stark negativ beeinflusst.
b) Cadmium ist hochgiftig und kann bei übermäßiger Anreicherung im körper zu schweren Leber- und Nierenschäden führen. Weiterhin führt es zu Nervenschädigungen und Entkalkung der Knochen.
c) Das Schwermetall Blei wirkt als Nervengift. Der Nagriffspunkt der Schwermetalle in der Zelle sind Enzyme, die die Aminosäure Cystein enthalten. Diese Aminosäure trägt über ihre SH- Gruppe reagiert z.B. mit einem Blei-Ion und wird dadurch blockiert.
d) Schwermetalle, die als Abgase in die Natur gelangen führen zum Absterben der Wälder und zur Versäuerung des Bodens. Über diesen Weg können diese giftigen Stoffe auch wieder in die Nahrungskette gelangen.
4. Geräte, Chemikalien

a) Geräte: b) Chemikalien:
Reibe - Kartoffelpresssaft
Chemikalienlöffel - Wasserstoffperoxyd
Reagenzgläser - Silbernitrat
Reagenzglasständer

5. Durchführung:
Stellen Sie mittels Reibe aus rohen Kartoffeln einen Kartoffelpresssaft her!
Schöpfen Sie mit dem Chemikalienlöffel den Zellsaft ab und füllen Sie in zwei Reagenzgläser 3ml ab
5.1 Kontrollreaktion bei Zimmertemperatur
Siehe unter I Temperatur
5.2 Untersuchungsreaktion bei Anwesenheit von Schwermetallionen
milchig gräulich-trübe Färbung des Kartoffelpresssaftes
keine Wärmeabgabe, keine Reaktion, da Enzyme blockiert wurden
Flockiger Niederschlag
keine weitere Reaktion zu beobachten, da eine Blockierung der Enzyme vorliegt

6. Auswertung:
Hier finden ähnliche Vorgänge wie bei dem Experiment der Temperatur statt. Auch hier werden die Eiweiße der Enzyme denaturiert, jedoch in diesem Experiment durch Schwermetallionen. Es findet aber bei der Untersuchungsreaktion, im Gegensatz zur Kontrollreaktion, keine Schaumbildung statt, d.h. es fand keine Reaktion statt, da die Schwermetallionen die Eiweiße im Enzym zerstören. Somit kann das Enzym seine Funktion nicht ausführen. Bei diesem Experiment würde das heißen, dass dem H O kein Enzym zur Spaltungen H O und O zur Verfügung steht. In unserem Experiment ist zu beobachten, dass nach dem zugeben von H O kein Reaktionsprodukt in Form von Schaum entsteht.
Mit diesem Experiment ist erwiesen, dass je mehr Schwermetalle vorhanden sind, desto geringer ist die Aktivität der Enzyme, bis es dann zum völligem stillstand der Enzyme kommt.
III. pH-Wert

1. Aufgabe:
Weisen Sie experimentell anch, ob zwischen dem pH-Wert und der Enzymaktivität ein Zusammenhang besteht!

2. Literatur:
-Biologie heute S II – Schroedel
-Materialien für den Sekundarbereich II „Stoffwechselphysiologie“
-Wissensspeicher Biologie

3.Vorüberlegungen:
3.1 siehe unter I Temperatur
3.2 siehe unter I Temperatur
3.3 Reaktivieren Sie ihre Kenntnisse über die Wirkung der Magensäure beim Verdauungsprozess!
Die Magensäure dient beim Verdauungsprozess zum abtöten von Bakterien und Mikroorganismen. Außerdem regen sie Enzyme an. Das durch die Säure hervorgerufene saure Milieu ist die perfekte Umgebung für das Pepsin, wodurch es besser arbeiten kann. Beginn der Verdauung der Eiweißstoffe.
4. Geräte, Chemikalien

a) Geräte: b) Chemikalien:
Reibe - Kartoffelpresssaft
Chemikalienlöffel - Wasserstoffperoxyd
Reagenzgläser - Chlorwasserstoff
Reagenzglasständer

5. Durchführung:
Stellen Sie mittels Reibe aus rohen Kartoffeln einen Kartoffelpresssaft her!
Schöpfen Sie mit dem Chemikalienlöffel den zellsaft ab und füllen Sie in zwei Reagenzgläser 3ml ab
5.1 Kontrollreaktion bei Zimmertemperatur
Siehe unter I Temperatur
5.2 Untersuchungsreaktion bei Anwesenheit einer Säure
bei Zugabe von HCL leichte Entfärbung, Trübung -> dunkelweiß-grau
Flockenbildung
Reaktion stark exotherm
Lösung erwärmt sich
Entfärbung der Lösung bei Zugabe von H O
Keine Schaumbildung

6. Auswertung:
Das H O kann nur unter Einwirkung der Enzyme des Kartoffelpresssaftes gespalten werden. Das wurde im Kontrollexperiment nachgewiesen. In dem Experiment sollte untersucht werden, ob ein Zusammenhang zwischen der Enzymaktivität und dem pH-Wert besteht. Nach dem Einfüllen der Säure die Proteine in den Enzymen. Da nach der Denaturierung der Eiweiße keine Proteine mehr ihre Funktionen erfüllen konnte und da Eiweiße der Hauptbestandteil der Enzyme sind, konnte sich kein Enzym, an der Spaltung des H O beteiligt. Die Enzyme können ihre Aktivität nicht mehr weiterführen. Am Experiment wurde bewiesen, dass ein Zusammenhang zwischen dem pH-Wert und der Enzymaktivität besteht.
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