Experimente mit Enzymen: Oxidasen und Peroxidasen. Lustige Chemieexperimente für zu Hause

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Experimente mit Enzymen: Oxidasen und Peroxidasen. Chemische Experimente

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In den Zellen von Pflanzen und Tieren laufen ständig komplexe chemische Prozesse ab. Sie werden durch Eiweißstoffe reguliert – Enzyme, die (wir erinnern uns noch einmal) die Rolle von Katalysatoren für chemische Reaktionen in Zellen spielen. Um solche biochemischen Prozesse zu untersuchen, sind komplexe Instrumente und viele Reagenzien erforderlich. Einige biochemische Phänomene können jedoch, wie man sagt, mit bloßem Auge beobachtet werden.

Beginnen wir mit oxidativen Enzymen – Oxidasen und Peroxidasen. Sie sind in vielen lebenden Geweben vorhanden, da den Atmungsprozessen Oxidation zugrunde liegt. Diese Enzyme wirken jedoch anders: Oxidasen oxidieren organische Substanzen mit Luftsauerstoff, Peroxidasen „entziehen“ Peroxiden zu demselben Zweck Sauerstoff. Natürlich werden Stoffe auch ohne die Hilfe von Enzymen langsam oxidiert, aber Enzyme beschleunigen die Reaktion um ein Vielfaches.

Bei der Oxidation einiger Stoffe, beispielsweise Phenol und Hydrochinon, entstehen farbige Reaktionsprodukte. Das Erscheinen einer Farbe zeigt an, dass das Enzym gewirkt hat. Und anhand der Farbintensität können Sie die Menge der Oxidationsprodukte beurteilen. Tritt überhaupt keine Farbe auf, ist das Enzym inaktiv. Dies kann in einer zu sauren oder zu alkalischen Umgebung, bei fehlender Sauerstoffversorgung oder in Gegenwart enzymschädigender Substanzen, sogenannter Enzyminhibitoren, passieren.

Nach dieser kurzen Einführung folgen die Experimente selbst. Sie benötigen: einen Kohlstiel, einen Apfel, eine Kartoffelknolle mit Sprossen, eine Zwiebel mit im Dunkeln gekeimten Wurzeln. Die Reagenzien sind kalt gekochtes und noch besser destilliertes Wasser, Hydrochinon (aus einem Fotoladen) und Wasserstoffperoxid aus der Apotheke. Besorgen Sie sich außerdem eine Gemüsereibe, ein Wasserbad, Penicillin-Reagenzgläser oder -Flaschen, saubere Pipetten und Gaze oder ein weißes Tuch.

Beginnen wir mit Kohlsaft. Mahlen Sie ein Stück Kohlstiel (ca. 20 g), drücken Sie die resultierende Aufschlämmung durch zwei Lagen Gaze oder eine Lage Tuch, sammeln Sie den Saft in einem Glas und verdünnen Sie ihn zehnmal mit Wasser. Wir warnen Sie sofort: Bei der Untersuchung anderer Pflanzenobjekte sollte der Saft nicht mehr als zwei- bis dreimal verdünnt werden.

Nummer sechs saubere, trockene Reagenzgläser oder Fläschchen. Gießen Sie 1 ml verdünnten Kohlsaft in die Reagenzgläser Nr. 2, 3, 4 und 1. Röhrchen 1 und 2 zur Zerstörung (Inaktivierung) der Enzyme fünf Minuten lang in ein kochendes Wasserbad stellen und dann auf Raumtemperatur abkühlen lassen. Gießen Sie statt Saft 5 ml Wasser in die Reagenzgläser 6 und 1.

Geben Sie in alle sechs Reagenzgläser mit der Messerspitze etwas Hydrochinon. Gießen Sie dann fünf Tropfen Wasser in die Röhrchen 1, 3 und 5 und fünf Tropfen Wasserstoffperoxid in die Röhrchen 2, 4 und 6. Mischen Sie den Inhalt jedes Röhrchens gründlich.

Nach zehn bis fünfzehn Minuten können Sie bereits die Ergebnisse des Experiments beobachten. Wir empfehlen Ihnen dringend, diese in tabellarischer Form aufzuschreiben. Tragen Sie in die Tabelle die Anzahl der Reagenzgläser und die Zusammensetzung der Mischung in jedem von ihnen ein. Markieren Sie in der Spalte für jede Mischung, ob sich die Farbe während des Experiments geändert hat und wenn sie sich geändert hat, wie. Stellen Sie in der nächsten Spalte fest, ob eine Oxidation stattgefunden hat.

Wenn die gesamte Tabelle ausgefüllt ist, versuchen Sie, die Ergebnisse zu analysieren. Denken Sie dazu über diese Fragen nach.

Kann Wasserstoffperoxid Hydrochinon ohne Kohlsaft oxidieren?

Wird Hydrochinon durch Kohlsaft ohne Wasserstoffperoxid oxidiert?

Bleibt die Enzymaktivität im Saft nach dem Kochen erhalten?

Welche oxidativen Enzyme kommen im Kohlsaft vor – Oxidasen oder Peroxidasen?

Aufgrund der Erfahrungen mit Pflanzen derselben Art ist es jedoch noch zu früh, um endgültige Schlussfolgerungen zu ziehen. Führen Sie daher die gleichen Experimente mit einer Kartoffelknolle und ihren Sprossen, mit dem Fruchtfleisch von Äpfeln, mit den fleischigen Schuppen einer Zwiebel sowie mit ihrem Boden und ihren Blättern („Federn“) durch. Wir erinnern Sie daran: In diesen Fällen sollte der resultierende Saft 2-3 Mal mit Wasser verdünnt werden.

Wenn alle Experimente durchgeführt wurden, kann festgestellt werden, in welchen der untersuchten Materialien die oxidierenden Enzyme aktiver sind. Können Ihrer Meinung nach Oxidasen und Peroxidasen gleichzeitig in Pflanzengeweben vorhanden sein?

Versuchen Sie, Ihre eigenen Schlussfolgerungen zu ziehen, ohne sich die Erklärung anzusehen. Und wenn die Schlussfolgerungen gezogen werden, überprüfen Sie, wie richtig sie sind.

Fazit eins. Wasserstoffperoxid kann Hydrochinon auch ohne Saft allmählich oxidieren: In den Röhrchen 5 und 6 erscheint langsam eine rosa Farbe. Das bedeutet, dass das Enzym für die Reaktion nicht benötigt wird. Wie alle Katalysatoren beschleunigen Enzyme die begonnene Reaktion nur um ein Vielfaches. Ihnen ist natürlich aufgefallen, wie schnell die Farbe in Röhrchen 4 erschien. Allerdings können Peroxidasen die Reaktion von Hydrochinon mit Luftsauerstoff nicht beschleunigen (die Farbe in Röhrchen 3 fehlt oder erscheint nur sehr langsam).

Zweites Fazit. Schon durch kurzzeitiges Kochen kann das Enzym außer Kraft gesetzt werden. Im Reagenzglas 2 ist praktisch keine Farbe vorhanden. Schließlich sind Enzyme Proteine; Sie koagulieren beim Erhitzen – in den Reagenzgläsern 1 und 2 traten Proteinflocken auf.

Fazit der Dritte. Im Reagenzglas 3 trat keine Farbe auf. Das bedeutet, dass Kohlsaft ausschließlich Peroxidasen enthält, die die Oxidation von Hydrochinon nur in Gegenwart von Wasserstoffperoxid beschleunigen. Bei Versuchen mit Kartoffelknollen und Äpfeln kommt es jedoch zu einer Verfärbung, und zwar besonders schnell beim Schütteln des Fläschchens, wenn die Lösung mit Luftsauerstoff angereichert wird. Dies bedeutet, dass es in Kartoffeln und Äpfeln Oxidasen (genauer gesagt Phenoloxidase) gibt, die zur Oxidation von Hydrochinon mit Sauerstoff beitragen. Daher verdunkeln sich geschnittene Kartoffelknollen und Äpfel an der Luft – sie enthalten mit Hydrochinon verwandte Stoffe. Auch Oxidase verliert beim Erhitzen an Aktivität. Erinnern Sie sich, wenn Salzkartoffeln dunkler werden? Abschließend die vierte Schlussfolgerung. Auch in Kartoffeln und Äpfeln gibt es Oxidasen – bei Zugabe von Peroxid in Reagenzglas 4 erscheint die Farbe früher. Und in den fleischigen Zwiebelschuppen gibt es keine Oxidase. Selbst mit Hydrochinon verdunkeln sie sich an der Luft nicht.

Ist Ihnen übrigens aufgefallen, dass oxidative Enzyme besonders aktiv bei der Wachstumsvorbereitung oder dem Wachstum von Pflanzenorganen sind – im Boden der Zwiebel und ihren Wurzeln, in den Sprossen von Kartoffelknollen? Der Stoffwechsel läuft dort am intensivsten ab.

Wir haben also herausgefunden, dass nicht alle Umweltbedingungen für die Wirkung von Enzymen günstig sind. Wenn starke Hitze Enzyme inaktiviert, sind sie dann möglicherweise bei niedrigen Temperaturen aktiver? Lassen Sie uns dies auch überprüfen. Für den Versuch benötigen Sie zusätzlich vier Glas- oder Metalldosen mit einem Fassungsvermögen von ca. einem Liter sowie Eis oder Schnee (ca. 1 kg). Experimentieren wir mit einem Kohlstiel.

Reiben Sie den Stumpf, drücken Sie den Saft wie zuvor durch Gaze oder Tuch aus und verdünnen Sie ihn zwanzigmal mit Wasser. Nummerieren Sie die Röhrchen neu, wenn die alte Nummerierung irgendwie gelöscht wurde, und gießen Sie 1 ml verdünnten Kohlsaft in die Röhrchen 2, 3, 4 und 1 und geben Sie dann Hydrochinon mit der Spitze eines Messers hinzu. In die Reagenzgläser 5 und 6 statt Saft 1 ml Wasser geben und zusätzlich Hydrochinon hinzufügen. Und dann ordnen Sie die Reagenzgläser wie folgt an: 1 - in einem Glas mit Schnee oder Eis; 2 - in einem Glas mit warmem Wasser (40°C); 3 - in einem Glas mit heißem Wasser (60°C); 4 - bei Raumtemperatur auf dem Tisch stehen lassen; 5 - in einem Glas kochendem Wasser; 6 – bei Raumtemperatur stehen lassen.

5 Minuten nach Versuchsbeginn fünf Tropfen Wasserstoffperoxid in alle Reagenzgläser gießen, beginnend mit den kälteren. Schütteln Sie die Mischung vorsichtig und notieren Sie die Reaktionsstartzeit. Nehmen Sie nach weiteren 5 Minuten die Reagenzgläser aus den Gläsern und notieren Sie die Ergebnisse des Experiments in Form einer Tabelle, ungefähr so wie beim letzten Mal. Wenn die Tabelle gefüllt ist, können Sie mit der Analyse der empfangenen Daten beginnen.

Versuchen Sie, Ihre eigenen Schlussfolgerungen zu ziehen, indem Sie zunächst die folgenden Fragen beantworten.

Beschleunigt sich die Oxidationsreaktion mit steigender Temperatur ohne Zugabe eines Enzyms?

Kann man sagen, dass Enzyme besser funktionieren, wenn sie gekühlt werden?

Welche Temperatur ist für die Wirkung von Peroxidasen am günstigsten?

Warum halten Lebensmittel im Kühlschrank länger?

Warum Milch kochen?

Warum sind Warmblüter – Säugetiere und Vögel – die am weitesten entwickelten und lebensfähigsten Tiere der Erde?

Haben Sie all diese Fragen beantwortet? Dann - unsere Erklärungen.

Sie haben wahrscheinlich bemerkt, dass die Oxidationsrate von Hydrochinon mit Wasserstoffperoxid bei niedrigen und hohen Temperaturen nicht gleich ist. Bei hohen Temperaturen ist die Oxidationsrate naturgemäß höher. Peroxidasen erleichtern die Wechselwirkung von Hydrochinon mit Peroxid. In Gegenwart eines Enzyms läuft die Reaktion auch bei niedrigen Temperaturen ab, aber je höher die Temperatur, desto einfacher ist es für das Enzym, die Moleküle der Reaktanten zu aktivieren.

Wir dürfen jedoch nicht vergessen, dass Proteine bei hohen Temperaturen koagulieren und die Reaktionsgeschwindigkeit abnimmt. Es gibt ein Konzept der optimalen Temperatur für die Wirkung von Enzymen, bei der sie die größte Aktivität zeigen. Für verschiedene Enzyme ist diese Temperatur nicht gleich, aber viele Enzyme, einschließlich Peroxidasen, haben ein Temperaturoptimum von 40–50 °C.

Lebensmittel verderben durch die Einwirkung von darin enthaltenen Enzymen oder werden von Mikroorganismen freigesetzt. Bei Kälte lässt die Enzymaktivität nach – deshalb verderben Lebensmittel im Kühlschrank weniger.

Warmblüter haben die höchste Evolutionsstufe erreicht, die eine für die Aktivität von Enzymen optimale Körpertemperatur aufrechterhalten kann.

Autor: Olgin O.M.

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Es gibt jedoch noch einen weiteren Trick, der es Pflanzen ermöglicht, Hitze zu ertragen – sie bauen eine Kooperation mit Bodenbakterien auf. Es ist bekannt, dass die Mikroflora um die Wurzeln oft sehr günstig für Pflanzen ist, da sie es ihnen ermöglicht, schwierige Umstände zu ertragen: Trockenheit, hoher Salzgehalt im Boden oder beispielsweise hohe Temperaturen.

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