V EB_3
Thema: Katalase – Nachweis der Enzymaktivität in Kartoffel- und Hefezellen

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Material:
 6 Reagenzgläser (∅ mind. 16 mm), Reagenzglasständer, Erlenmeyerkolben (200 mL), 3 Becherglas (200 mL), 3 Messpipetten, Pipettierhilfe, Tropfpipette, kleiner Spatel, Schutzbrille, Einmalhandschuhe, Heizplatte, Wärmeschutz (Topflappen, Silikon-Handschutz), 2 Bechergläser zur Entsorgung (200 mL / 500 mL)

Chemikalien:
3%iges Wasserstoffperoxid-Lösung (H2O2), Katalase-Lösung aus Kartoffeln, Kupfersulfat-Pulver (CuSO4), Leitungswasser
⇒ Schutzbrille aufsetzen
⇒ Einmalhandschuhe benutzen
⇒ Wärmeschutz (Topflappen, Silikon-Handschutz) benutzen
 ⇒ Nur die angegebenen Chemikalien-Mengen verwenden
 Katalase Katalase Katalase Katalase Katalase

Sonstiges:
Trockenhefe oder frische Hefe, Kartoffeln

Vorarbeiten:
Herstellung der Katalase- und Wasserstoffperoxid-Lösungen (siehe V EB_1)

In einem Erlenmeyerkolben (200 mL) wird Hefe – Trockenhefe (Spatelspitze) oder frische Hefe (Menge: Größe einer Erbse) –  in 100 mL Leitungswasser aufgelöst. Die Hälfte der Hefesuspension* wird in einem Becherglas (200 mL) 2 Minuten gekocht.
Eine mittelgroße Kartoffel wird in kleine Stücke (ca. 0,5 x 0,5 cm) geschnitten oder grob gerieben. Die Hälfte der Kartoffelmenge wird in einem Becherglas (200 mL) zusammen mit 100 mL Leitungswasser 5 Minuten gekocht. Das Wasser wird abgegossen.
Sowohl die gekochte Hefesuspension als auch die gekochte Kartoffelmasse sollten vor der sich anschließenden Durchführung abgekühlt sein.

*Verteilung sehr kleiner Teilchen eines festen Stoffes in einer Flüssigkeit

Durchführung:
Die fünf / sechs Reagenzgläser(R) werden folgendermaßen befüllt:

 R Befüllung
R1* frische Kartoffel ( ca. 1 cm hoch) + 2 mL Leitungswasser
R2* gekochte Kartoffel (ca. 1 cm hoch) + 2 mL Leitungswasser
R3 3 mL frische Hefesuspension
R4 3 mL gekochte Hefesuspension
R5* 3 mL Hefesuspension + Kupfersulfat (Spatelspitze / kl. Spatel) und / oder
R6* frische Kartoffel (ca. 1 cm hoch) + 2 mL Leitungswasser + Kupfersulfat (Spatelspitze / kl. Spatel)

*Zur Durchmischung der Inhalte werden diese Ansätze etwa 20 Sekunden lang vorsichtig geschwenkt.

In jedes Reagenzglas werden mit der Tropfpipette 10 Tropfen 3%ige Wasserstoffperoxid-Lösung gegeben.
Die Inhalte der Reagenzgläser werden in Hinblick auf entstehende Gasbläschen bzw. Schaumbildung beobachtet. Die Beobachtungen werden notiert.

Beobachtung:

 R Gasbläschen / Schaumbildung
R1
R2
R3
R4
R5
R6

Ergebnis:
Folgende Hinweise können bei der Ergebnisformulierung helfen:

  • Wasserstoffperoxid entsteht im Rahmen von Stoffwechselprozessen in jeder Zelle. Es ist ein Zellgift. Das Enzym Katalase kann dieses Zellgift sehr schnell unschädlich machen, indem es diesen Stoff in seine Bestandteile (Wasser und Sauerstoff) zerlegt.
  • Kupfersulfat ist ein Schwermetall und ein ebenfalls ein starkes Zellgift.

Fehlerdiskussion:

 

Entsorgung:
Der Inhalt aus den Ansätzen R5 und R6 werden in dem Becherglas (200 mL) gesammelt und fachgerecht entsorgt.
Der Inhalt aus den übrigen Ansätzen wird in dem Becherglas (500 mL) gesammelt, mit Leitungswasser aufgefüllt und in das Abwassernetz gegeben.

  1. Stelle einen Zusammenhang zwischen den Ansätzen R1 – R4 und dem Versuch „VEB_5 Katalase – Kälte und Hitze nicht erwünscht!“ her.
  2. Folgende Aussage ist grundsätzlich richtig: „Das Schwermetall Kupfersulfat verhindert die Zerlegung von Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff durch die Katalase“.
    Stelle mehrere Hypothesen auf, woran das auf Molekülebene liegen könnte.
Lösungen zu Aufg. 1 u. 2:

zu 1.
Die Leistung der Enzyme ist u.a. von der Temperatur abhängig. Proteine sind Hauptbestandteile von Enzymen. Bei sehr hohen Temperaturen (z.B. durch das Kochen von Kartoffel oder Hefe) werden die Proteine zerstört (Verweis….). Das Enzym wird dadurch inaktiv. Genauere Informationen dazu findest du hier.
zu 2.
Das Ergebnis, dass Schwermetalle die Zerlegung des Wasserstoffperoxides verhindern, sagt wenig über den zugrunde liegenden Mechanismus aus.
Je nach Kenntnisstand können folgende Hypothese aufgestellt werden:
a- Es liegt eine kompetitive oder nicht-kompetitive Hemmung vor (siehe ….).
b- Die Kupfer-Ionen binden an die aktive Stelle des Enzyms und verhindern so die Bindung des Substrates.
c- Die Kupfer-Ionen legen sich wie ein “Mantel” um das Enzym Katalase und verhindern damit die Bildung eines Enzym-Substrat-Komplexes.
d- Das Wasserstoffperoxid wird durch das Schwermettal so verändert, dass es nicht mehr abgebaut werden kann.
e- ….. .
Die Hypothese a- ist richtig. Dieses müsste allerdings – unter schulischen Bedingungen nicht möglich – erst noch genauer nachgewiesen werden.

 

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