1 Abstract: This study has been made to describe enzymes, especially their kinetics and structures, and is based on the enzyme catalase. The kinetics has been explained by the Michaelis-Menten-equation and the activation energy. A lab-test with catalase has been made and the results have been compared to the theory of the kinetics of catalase. The velocity of the reaction in different pH-levels has been illustrated by a graph and described. The use of enzymes in the industrial section has also been discussed. Washing powder is the main subject in this section of the task and the environmentally issues on other chemical solutions compared to the enzymes has also been brought up here. All in all this study has been very educational to me.
24
Embed
Abstract - media.mentoreurope.eumedia.mentoreurope.eu/static/SRP2015/Enzymer_og_katalase.pdf · The kinetics has been explained by the Michaelis-Menten-equation ... Katalases kinetik
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
Abstract:
This study has been made to describe enzymes, especially their kinetics and structures, and is based
on the enzyme catalase. The kinetics has been explained by the Michaelis-Menten-equation and the
activation energy. A lab-test with catalase has been made and the results have been compared to the
theory of the kinetics of catalase. The velocity of the reaction in different pH-levels has been
illustrated by a graph and described. The use of enzymes in the industrial section has also been
discussed. Washing powder is the main subject in this section of the task and the environmentally
issues on other chemical solutions compared to the enzymes has also been brought up here. All in
Opgaven vil behandle emnet enzymer, med udgangspunkt i enzymet katalase. For at kunne forstå
katalase, dens opbygning, dens funktion, virkemåde osv., vil der først være en generel beskrivelse
af enzymer og derefter vil der være en dybere forklaring af begreberne aktiveringsenergi og
Michaelis-Menten-kinetik. Mere specifikt vil katalase blive beskrevet netop i forhold til
ovenstående, altså først bliver der forklaret lidt generelt om katalase og derefter vil der være en
beskrivelse af katalases strukturelle opbygning. Til sidst vil et forsøg med netop enzymet katalase
blive inddraget, hvor vi vil teste reaktionshastigheden for en opløsning med katalysatoren og
sammenligne denne med reaktionshastigheden for en opløsning uden katalysatoren. Samtidig vil
dette forsøg vise om pH-værdien har nogen indflydelse på enzymets virkning. Katalases kinetik vil
blive vurderet i forhold til teorien ved hjælp af en graf. Til sidst perspektiveres der til brug af
enzymer i andre sammenhænge, hovedsageligt i vaskepulver.
4
Introduktion til emnet
I levende organismer forekommer mange forskellige kemiske reaktioner, og de fleste af disse
reaktioner er nød til at foregå hurtigt. For at få en reaktion til at gå hurtigere, kan man gøre brug af
forskellige metoder. Man kan tilføje mere stof, så der sker flere kollisioner mellem molekylerne,
man hæve temperaturen, så molekylerne får mere fart på, og derved øger deres kinetiske energi, så
kollisionerne bliver voldsommere, og til sidst kan man tilføje en katalysator. For at en reaktion kan
forekomme, skal energien ved kollisionerne være større end aktiveringsenergien. Det som en
katalysator gør, er at den sænker aktiveringsenergien, så flere succesfyldte kollisioner kan opstå, og
derved foregår reaktionen hurtigere. I levende organismer er det altså hovedsagligt enzymer der
katalyserer de kemiske reaktioner. Man har også fundet ud af at få andre komponenter i kroppen har
katalytisk effekt, f.eks. RNA-molekyler. Uden katalysatorer vil næsten alle de kemiske reaktioner
foregå meget langsomt, eller slet ikke. De er altså livsnødvendige komponenter for vores krop.
En definition af en katalysator kunne lyde således:
”Ved en katalysator forstås et stof, der uden at forbruges ved en kemisk proces, får denne til at
forløbe med større hastighed mod sin ligevægtstilstand”1
Selvom enzymer indgår i reaktionen bliver de ikke opbrugt. De kan derfor katalysere flere
substrater i løbet af en reaktion, og samtidig bruges igen til en anden reaktion af samme type.
Enzymer er proteiner, hvilket vil sige at de består af lange kæder aminosyrer, der sidder sammen
med peptidbindinger. Enzymer er meget specifikke og katalyserer helt bestemte reaktioner.
For at illustrere hvor hurtigt et enzym egentlig bevirker en reaktion, tages der udgangspunkt i
følgende reaktion:
CO2 + H2O H2CO2
Katalysatoren (i dette tilfælde carbonanhydrase) vil forøge reaktionshastigheden for denne reaktion
107 gange og kan omdanne 105 CO2 molekyler pr. sekund.2
Alle reaktioner er reversible og vil gå mod ligevægt, hvor reaktionshastigheden er lig 0. Da
katalysatoren sænker aktiveringsenergien, betyder det at den katalyserer lige godt begge veje. Det er
1 Fra ”Proteiner og Enzymer” af Hanne Hansen, s. 65 2 Fra ”Proteiner og Enzymer” af Hanne Hansen, s. 63
5
altså kun hvis produktet reagerer videre eller kommer på gas-form og bevæger sig ud af systemet, at
reaktionen ikke er reversibel.3
3 Reversibel: At reaktionen kan gå bege veje.
6
Katalase generelt:
E.C. 1.11.1.6. Det er enzymet katalases klassificeringsnummer.4 E.C. står for enzym commision, og
er den gruppe der fik til opgave at navngive og systematiserer enzymerne i 19555. Det første tal 1
står for hovedgruppen, som angiver hvilken type reaktion enzymet indgår i. Katalase er altså et
enzym der katalyserer redoxprocesser. Det næste nummer, 11, angiver undergruppen. Det vil sige (i
dette tilfælde med katalase) hvilken type redoxprocesser enzymerne i denne gruppe behandler. 11-
tallet angiver at enzymerne her behandler reaktioner med H2O2 som acceptor altså som substrat.6
Det næste tal angiver under-under-gruppen, og fortæller i dette tilfælde at det er en peroxidase, altså
et enzym der spalter hydrogenperoxid til vand og samtidig oxiderer et organisk stof.7 Det sidste tal
angiver at det lige præcis er katalase der er tale om.
Katalase er et enzym der bruges specielt til reaktioner hvor H2O2 (hydrogenperoxid) bliver
omdannet, og er derfor meget specifikt som de fleste andre enzymer. I cellen bliver der nedbrudt
fedtsyrer og aminosyrer, og bl.a. under disse processer, dannes der H2O2, som er meget skadeligt for
cellerne, da det er et meget reaktivt stof der kan oxidere andre stoffer i cellen, og derved ødelægge
deres funktion. I værste fald kan de oxidere på DNA-materialet og skabe mutation, som kan give
anledning til dannelse af kræftceller. Den største koncentration af katalase-enzymer findes dog i
levercellerne, da der her er mange giftstoffer der hurtigt skal reagere videre.
Katalase går ind og katalyserer på omdannelsen af H2O2 til H2O og O2. Reaktionsskemaet ser
således ud:
2 H2O2 2 H2O + O2
Katalase sænker aktiveringsenergien, hvilket betyder at katalysen også virker på reaktionen mod
venstre. Da et enzym katalyserer således at reaktionen hurtigere vil nå sin ligevægt, burde denne
reaktion være reversibel. Det er dog sjældent det er tilfældet med hydrogenperoxid i vores krop, da
det som tidligere nævnt er giftigt. Derfor bliver produktet hurtigt viderereageret, og reaktionen
stopper derfor først når alt hydrogenperoxiden er opbrugt.
4 ”Proteiner og enzymer” af Hanne Hansen, s. 90 5 ”Proteiner og enzymer” af Hanne Hansen, s. 87 6 Forklares dybere i afsnittet ”Virkemåde”. 7http://www.denstoredanske.dk/Natur_og_milj%C3%B8/Biokemi_og_molekyl%C3%A6rbiologi/Biokemi/p
eroxidaser
7
Nogen gange har vi dog også brug for hydrogenperoxid for at uskadeliggøre potentielt skadelige
forbindelse. Når kroppen er færdig med at bruge hydrogenperoxiden, går katalasen ind og
nedbryder det resterende, så det ikke skader cellerne.
Katalase er så effektivt et enzym, at et enzymmolekyle kan katalyserer nedbrydningen af 5
millioner hydrogenperoxidmolekyler til vand og ilt.8
8 Enzymer – Hvor bruges de? Af Novo nordisk, s. 5
8
Enzymers strukturelle opbygning
Som tidligere nævnt er enzymer proteiner og har derfor samme opbygning. Dvs. at de har en primær
struktur, sekundær struktur, tertiær struktur og nogle har også en kvartiær struktur.
Den primære struktur9 angiver rækkefølgen af aminosyrerne, og netop denne rækkefølge
bestemmer hvilken form proteinet skal have.
Den sekundære struktur10 skyldes de hydrogenbindinger der bliver dannet, det vil sige de
bindinger der opstår mellem det dobbeltbundede oxygenatom fra karboxyl-gruppen11 og
hydrogenatomet fra amino-gruppen12. Disse bindinger er svage, men da de bliver gentaget, er de
stadig i stand til at holde proteinet samlet. Sidekæderne i proteinet styrer hvordan den tertiære
struktur13 kommer til at se ud, ved at der dannes flere bindinger. Den tertiære struktur kan altså
indeholde både alfa-helixer og beta-foldede plader. Disse bindinger holder proteinet i en særlig
form, så det kan indeholde flere sekundære strukturer. Der er stadig kun tale om en
polypeptidkæde14, altså en proteinkæde. Er flere polypeptidkæder/proteinkæder koblet sammen til
et stort protein, har man den kvartiære struktur.15
Alle enzymer har et såkaldt active site, (på dansk; det aktive sæde) som er den del der kan danne og
bryde bindinger og det er her substratet bindes til enzymet. Det aktive sæde består af et
bindingssæde og et katalyserende sæde.
9 Se bilag 1, figur 3 10 Se bilag 2, figur 4 11 Se bilag 1, figur 1 12 Se bilag 1, figur 1 13 Se bilag 2, figur 5 14 Polypeptidkæde: En kæde af aminosyrer der er bundet sammen med peptidbindinger. Disse
bindinger er dannet ved kondensationsreaktioner, altså ved fraspaltning af vand (se bilag 1, figur 1
og 2). 15 Se bilag 2, figur 6
9
Katalases struktur:
Enzymet katalase har man fundet i næsten alle aerobe organismer.1617 Katalase er et af de enzymer
der består af den kvartiære struktur, dvs. den har fire polypeptider, der er bundet sammen til et stort
protein. Katalase har ligesom alle andre
enzymer et aktivt site, men lige på
katalase, har det den afgørende effekt at
det kun er hydrogenperoxid der passer i
det aktive site. Det betyder at enzymet
kun virker på det stof og derfor er katalase
absolut specifikt.
Katalase er bygget op på den kvartiære
form, hvilket betyder at den har fire
polypeptidkæder, der bundet sammen til
et stort protein (Se figuren til højre).18
Mere specifikt, er det et hæmprotein ligesom hæmoglobin. Det betyder at enzymet har fire
hæmgrupper, hvori der er bundet et Jern(II) molekyle i hver gruppe. De fire hæmgrupper indgår i
det aktive site, altså det område hvor substratet bliver sætter sig fast og bliver omdannet. Jern(II)
molekylerne kan i sig selv katalyserer, og det samme kan hæmgrupperne, men hele enzymet
katalyserer med en effektivitet der er ca. 10 millioner større end for hæmgrupperne alene.19
16 Aerobe organismer, er organismer der behøver ilt for at fungere 17 http://www.biosite.dk/leksikon/catalase.htm 18 Figuren er fra