Es gibt viele chemische Reaktionen, die nur mithilfe eines Katalysators ablaufen. Der
Katalysator setzt die Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion herab und
beschleunigt somit deren Geschwindigkeit und Gleichgewichtseinstellung, ohne
jedoch die Gleichgewichtslage zu verändern. Ein Katalysator geht immer unverändert
aus einer Reaktion hervor. In Organismen fungieren die Enzyme als Biokatalysatoren,
die mit ihren Substraten Enzym-Substrat-Komplexe bilden, woraus dann ein Komplex
aus Enzym und Produkt entsteht, der anschließend in Enzym und Produkt zerfällt und
dieses somit freisetzt.
In diesem Versuch wird die Wirkung eines Enzyms am Beispiel der Katalase
demonstriert, welche das schädliche Wasserstoffperoxid spaltet.
Inhaltsverzeichnis
V 3a Biokatalyse am Beispiel der Katalasewirkung
1. Einleitung
2. Material und Methode
3. Ergebnisse
4. Diskussion
V 3b Phenoloxidasen
1. Einleitung
2.1 Nachweis und Hemmung der Phenoloxidasen in vitro
1. Material und Methode
2. Ergebnisse
3. Diskussion
2.2 Verfärbung des Extraktes beim Stehenlassen
1. Material und Methode
2. Ergebnisse
3. Diskussion
2.3 Hitzeempfindlichkeit der Enzyme
1. Material und Methode
2. Ergebnisse
3. Diskussion
2.4 Enzymdenaturierung durch Säure
1. Material und Methode
2. Ergebnisse
3. Diskussion
V 3c Enzymaktivität in Abhängigkeit vom pH-Wert
1. Einleitung
2. Material und Methode
3. Ergebnisse
4. Diskussion
V 3d Anthocyanfärbung bei verschiedenen pH-Werten
1. Einleitung
2. Material und Methode
3. Ergebnisse
4. Auswertung / Diskussion
V 3e Einfluss der Temperatur auf die Enzymaktivität
1. Einleitung
2. Material und Methode
3. Ergebnisse
4. Diskussion
V 3f Aussalzen von Proteinen
1.Einleitung
2. Methode und Material
3. Ergebnisse
4. Auswertung/Diskussion
V 3g Substratspezifität der Urease
1. Einleitung
2. Material und Methode
3. Ergebnisse
4. Diskussion
V 3h Dialyse: Demonstration des Prinzips einer Methode
1.Einleitung
2. Material und Methode
3. Ergebnisse
4. Auswertung / Diskussion
Zielsetzung & Themen
Das Ziel dieses Versuchsprotokolls ist die praktische Untersuchung verschiedener enzymatischer Eigenschaften und Wirkungsweisen in pflanzlichen Organismen unter kontrollierten Laborbedingungen. Die zentralen Forschungsfragen beziehen sich dabei auf die Aktivität, Spezifität und Stabilität von Enzymen unter variierenden physikalischen und chemischen Einflüssen.
- Untersuchung der Biokatalyse am Beispiel der Katalasewirkung.
- Analyse der Funktion und Hemmung von Phenoloxidasen.
- Einfluss von pH-Wert und Temperatur auf die Enzymaktivität.
- Demonstration der Substratspezifität und Proteinreinigung durch Aussalzen.
- Anwendung der Dialysetechnik zur Untersuchung von Membranpermeabilität.
Auszug aus dem Buch
2.3 Hitzeempfindlichkeit der Enzyme
Durch das Erhitzen werden Proteine denaturiert, da die Moleküle durch die Energiezufuhr derart ins Schwingen geraten, dass sich einige Bindungen wie Wasserstoffbrückenbindungen, Disulfidbindungen und hydrophobe Effekte lösen, was zu einer Konformationsänderung führt und somit die Funktion der Enzyme stört. Dabei werden häufig die im Inneren des Proteins gelegenen Abschnitte nach außen gekehrt. Die Proteine sind nicht mehr löslich und fallen aus. Kovalente Bindungen werden hierbei nicht getrennt und die Primärstruktur bleibt erhalten. Hitzedenaturierungen sind oft reversibel, wobei hier die Einwirkzeit und die Höhe der Temperatur entscheidend und für die einzelnen Enzyme unterschiedlich sind.
Nach den Versuchsergebnissen zu urteilen wurde in der Lösung das DOPA umgesetzt. Nach der Denaturierung durch Hitze sollte man eigentlich vermuten, dass die Phenoloxidase nicht mehr aktiv ist. Es ergeben sich daher 3 Möglichkeiten:
1. Die Phenoloxidase wurde nicht lang genug erhitzt und ist daher nicht vollständig denaturiert und war noch funktionsfähig.
2. Die Denaturierung war reversibel und nach dem Abkühlen kehrte sie von dem denaturierten Zustand in die funktionsfähige Form zurück, sodass DOPA umgesetzt werden konnte.
3. In der Extraktlösung herrschen Bedingungen, die DOPA reagieren lassen, wobei Enzyme keine größere Rolle spielen.
Zusammenfassung der Kapitel
V 3a Biokatalyse am Beispiel der Katalasewirkung: Demonstration der Zerlegung von Wasserstoffperoxid durch den anorganischen Katalysator Mangan(IV)-oxid sowie durch das Enzym Katalase.
V 3b Phenoloxidasen: Untersuchung der enzymatischen Oxidation von Phenolen zu Chinonen und deren Einfluss auf Verfärbungen in verletzten Pflanzengeweben.
V 3c Enzymaktivität in Abhängigkeit vom pH-Wert: Bestimmung des optimalen pH-Wertes für die Aktivität der Sauren Phosphatase durch photometrische Messungen.
V 3d Anthocyanfärbung bei verschiedenen pH-Werten: Untersuchung, wie unterschiedliche pH-Werte die Farbe von Anthocyan-Extrakten beeinflussen.
V 3e Einfluss der Temperatur auf die Enzymaktivität: Analyse der temperaturabhängigen Reaktionsgeschwindigkeit der Katalase zur Ermittlung des Temperaturoptimums.
V 3f Aussalzen von Proteinen: Isolierung von Proteinen aus Kartoffelextrakt durch Ammoniumsulfat-Fällung unter Erhalt der enzymatischen Aktivität.
V 3g Substratspezifität der Urease: Vergleich der Umsetzung von Harnstoff und Thionharnstoff zur Demonstration der spezifischen Bindungseigenschaften des Enzyms.
V 3h Dialyse: Demonstration des Prinzips einer Methode: Untersuchung der Membranpermeabilität zur Trennung von Molekülen unterschiedlicher Größe mittels Cellophanbeuteln.
Schlüsselwörter
Enzyme, Biokatalyse, Katalase, Phenoloxidasen, Denaturierung, pH-Optimum, Temperaturoptimum, Substratspezifität, Aussalzen, Dialyse, Proteine, Kartoffelextrakt, DOPA, Chemische Reaktion, Stoffwechsel.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit dokumentiert eine Reihe pflanzenphysiologischer Übungen, in denen die grundlegenden Eigenschaften und Wirkungsweisen von Enzymen experimentell analysiert werden.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Felder umfassen Biokatalyse, die Stabilität und Denaturierung von Proteinen unter Hitze- oder Säureeinfluss, die enzymatische Substratspezifität sowie Methoden zur Trennung von Substanzen wie das Aussalzen und die Dialyse.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Ziel ist es, zu demonstrieren, wie verschiedene physikalische und chemische Parameter – etwa Temperatur, pH-Wert oder chemische Inhibitoren – die Aktivität und Funktion spezifischer Enzyme beeinflussen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es kommen diverse biochemische Analysemethoden zum Einsatz, darunter Photometrie zur Bestimmung von Enzymaktivitäten, Glimmspanproben zum Sauerstoffnachweis, Fällungsreaktionen sowie kontrollierte Versuchsreihen mit Pufferlösungen.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil besteht aus acht Teilversuchen (V 3a bis V 3h), die jeweils Material, Methode, Ergebnisse und eine Diskussion zu spezifischen Enzymreaktionen (z.B. Katalase, Phenoloxidase, Urease) enthalten.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Begriffe sind Enzyme, Biokatalyse, Denaturierung, Substratspezifität, pH-Optimum, Proteine und enzymatische Reaktion.
Warum verfärbt sich der angebissene Apfel braun?
Dies ist auf die Phenoloxidase zurückzuführen, die bei Zellverletzungen mit Phenolen reagiert und über Zwischenstufen wie Chinone zur Bildung von braunschwarzem Melanin führt.
Warum konnte das Temperaturoptimum der Katalase bei 50°C nicht mehr vollständig nachgewiesen werden?
Bei dieser Temperatur beginnt bereits die Denaturierung der Proteine, wodurch die Enzymstruktur irreversibel verändert wird und die katalytische Funktion stark abnimmt oder ganz zum Erliegen kommt.
Warum ist die Urease substratspezifisch?
Die Urease weist ein aktives Zentrum auf, das aufgrund seiner geometrischen und chemischen Beschaffenheit nur Harnstoff binden kann; strukturell ähnliche Stoffe wie Thionharnstoff passen aufgrund eines größeren Atomradius des Schwefelatoms nicht in das aktive Zentrum.
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- Christoph Böhm (Author), 2008, Enzyme. Versuchsprotokoll aus einem pflanzenphysiologischen Praktikum, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/150433
