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.

2

Indholdsfortegnelse

Abstract: ............................................................................................................................................... 1

Indledning til opgaven ......................................................................................................................... 3

Introduktion til emnet........................................................................................................................... 4

Katalase generelt: ................................................................................................................................. 6

Enzymers strukturelle opbygning ........................................................................................................ 8

Katalases struktur: ................................................................................................................................ 9

Enzymers virkning ............................................................................................................................. 10

Reaktionshastighed: ........................................................................................................................... 12

Aktiveringsenergi: .............................................................................................................................. 13

Michaelis-Menten-kinetik .................................................................................................................. 14

Forsøg: Enzymet katalase .................................................................................................................. 17

Konklussion: ...................................................................................................................................... 19

Perspektivering: Enzymer i industrien ............................................................................................... 19

Bilag 1 ................................................................................................................................................ 20

Bilag 2 ................................................................................................................................................ 21

Bilag 3 ................................................................................................................................................ 22

Bilag 4 ................................................................................................................................................ 23

Litteraturliste: ..................................................................................................................................... 24

3

Indledning til opgaven

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

http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/16/im/antioxsys/antioxsys.vlu/Page/vsc/de/ch/16/im/anti

oxsys/catalasen.vscml.html

19 http://bioeksp.rigelsen.dk/oevelser/Katalase.htm

10

Enzymers virkning

Som tidligere nævnt, har enzymer et såkaldt active site, som substratet binder sig til og bliver

omdannet i. Reaktionen ser således ud:

E + S ES E + P

E = Enzymet, S = Substratet, ES = Enzym-substrat-komplekset og P = Produktet. Umiddelbart kan

man ikke se hvad der helt præcist sker med enzymet og substratet i denne reaktion, men viser vi det

på billedformat, giver det bedre mening:

Figuren viser ovenstående reaktion på billedeform. Dog skal det lige siges at der her kun vises det

aktive site af enzymet, da hele enzymet er meget større end selve det aktive site. Her kan man se at

enzymet er tilpasset substratet, hvilket gør enzymet meget specifikt (nogle enzymer kan også ændre

form, så substratet passer til det aktive sæde). (Lavet af Helene Zgaya)

Homogen og heterogen opløsning:

Enzymer kan indgå i en homogen opløsning, eller en heterogen opløsning. I en homogen opløsning,

er enzymer blandet i, og der kan ikke ses forskel i selve væsken. I en heterogen opløsning kan

enzymet f.eks. være bundet til et metal og sidder på overfladen. Altså, jo større overfladeareal i en

heterogen blanding, jo bedre en katalyse kan man opnå.

11

Kofaktorer:

Kofaktorer er enzymers hjælpere, og mange enzymer virker ikke uden disse. Man snakker om to

typer:

Koenzymer: Er ofte vitaminer eller også produceret ud fra vitaminer. Koenzymet er en del af det

aktive sæde i de enzymer der behøver en kofaktor. De gør at substratet bedre kan binde sig til

enzymet.

Enzymaktivatorer: Er som regel uorganiske stoffer. De sætter sig i det aktive sæde, så det bliver

tilgængeligt for substratet.

Hæmmere:

Kompetetive hæmmere:

Hæmmere der konkurrer med substraterne om pladsen i det aktive sæde. Hvis

substratkoncentrationen er høj, er der større sandsynlighed for at det er substratet eller kofaktoren

der binder sig til enzymet, og ikke hæmmeren. Grunden til at hæmmeren kan sætte sig i det aktive

sæde, er hvis det kemisk ligner det substrat, som enzymet normalt vil binde sig med.

Ikke-kompetetive hæmmere:

Hæmmere der sætter sig andetsteds i enzymet, altså som ikke er i det aktive sæde. Dette ændrer

bindingerne og derved passer substratet ikke længere i det aktive sæde.

12

Reaktionshastighed:

Selvom enzymer får reaktionerne til at løbe hurtigere, afhænger hastigheden af flere ting:

Substratkoncentration:

For at enzymerne kan binde et substrat til sig, er det nødvendigt at der er en vis koncentration af

substrat, for at disse to kan finde hinanden så at sige. Substratet i sig selv gør ikke

reaktionshastigheden større, så den større koncentration af substratet der kræves, er for at

enzymerne nemmere kan finde frem til et substratmolekyle og derved kan reagere.

Enzymkoncentration:

Enzymkoncentrationen er naturligvis også vigtig for reaktionshastigheden. Det er

enzymmolekylerne der får hele reaktionen til at løbe hurtigere, så jo større koncentration af

enzymer er, jo flere substrater kan reagerer med enzymerne og des mere produkt bliver der dannet

på kortere tid.

Temperatur:

Enzymerne er afhængige af temperaturen. Ved 0 grader er der næsten ingen enzymaktivitet, da

molekylerne bevæger sig meget langsomt. Den optimale temperatur for enzymer ligger mellem 35

og 45 °C20. Ved højere grader falder enzymaktiviteten utrolig meget og enzymet holder helt op med

at virke ved omkring 60 °C. Det skyldes at enzymet bliver denatureret, da molekylerne bevæger sig

så hurtigt at bindingerne bliver brudt. Da enzymet er utrolig afhængigt af strukturen, mister det sin

funktion delvist eller helt, når strukturen ændres, og derved går reaktionen langsommere eller

stopper helt.

pH:

Den rigtige pH-værdi er også meget vigtig for enzymet, men en uoptimal pH-værdi ødelægger ikke

enzymet. Det mister sin virkning, men denne kan genvindes, når pH-værdien igen er optimal for det

pågældende enzym. Den optimale pH-værdi er forskellig alt efter hvilket enzym vi kigger på. F.eks.

er pepsin mest effektivt ved en pH-værdi på 2, da den i vores mavesaft. Derimod er spytamylase

mest effektiv ved 6,7, da den befinder sig i vores spyt.

20” Biokemi og genetik” af Oluf Nielsen og Anni Springborg, s 70.

13

Aktiveringsenergi:

Det der får en reaktion til at foregå, er kollisioner mellem molekylerne. Men ikke nok med det, skal

sammenstødene også være kraftige nok. Det kan bedst illustreres ved to bilers sammenstød. Hvis to

biler triller ind i hinanden, sker der ikke så meget. Hvis de derimod støder sammen med en

hastighed på 90 km/t, bliver bilerne totalsmadret. Derfor er der ikke særlig mange reaktioner der

kan foregå ved stuetemperatur, da molekylerne ikke bevæger sig hurtigt nok til at kunne opnå en

højere energi ved kollisionerne, end aktiveringsenergi. Det aktiveringsenergien der virker som

stopklods for reaktionerne. Det er dog en livsnødvendig stopklods, da mange reaktioner ellers ville

forekomme ved almindelig stuetemperatur. Den kinetiske energi (bevægelsesenergien) skal altså

være større end aktiveringsenergien ved

kollisionen af to molekyler. En spontan

reaktion er en reaktion der frigiver

energi, men en reaktion der kræver

energi, ikke er spontan. Det er

ændringen i den frie energi der afgør om

en reaktion er spontan eller ej. Hvis

reaktanternes frie energi er større end

produktets, frigives der energi, og

reaktionen er derfor spontan. Omvendt,

hvis produktets fri energi er større end

reaktanternes, kræver reaktionen tilførsel af energi, og den forekommer derfor ikke spontant.

Selvom en reaktion er spontan, kræver den alligevel noget energi for at komme i gang. Den kræver

noget energi for at komme over ”aktivering-puklen”21 Enzymer sænker aktiveringsenergien, så

reaktionen kan starte. Den virker altså kun på spontane reaktioner, da den kun ”hjælper”

molekylerne over puklen. Som man kan se af figuren til højre, reaktanternes energi højere end

produktet, hvilket stemmer overens med at det er en spontan reaktion. Der bliver altså frigivet

energi. Katalysatoren påvirker ikke hastighedskonstanten.

21 Se figuren: Molekylerne skal ramme hinanden med så kraftig en kollision at den kinetiske energi er større end

aktiveringsenergien.

14

Michaelis-Menten-kinetik

Michaelis-Menten:

Udgangspunkt:

Michaelis-Menten-ligningen fortæller noget om reaktionshastigheden afhænger af koncentrationen

af substrat og enzym, samt hastighedskonstanterne i de forskellige trin. Da dette er i starten af

reaktionen, er der dannet så lidt produkt at reaktionshastigheden for enzym + produkt enzym-

produkt-komplekset er ubetydelig.

Når enzymet og substratet reagerer og danner enzym-substrat-komplekset, kan der ske en af to ting

med dette kompleks. Det kan enten blive til enzymet + produktet eller det kan gå tilbage til enzymet

+ substratet.

Hastigheden for reaktionen ES E + P er det langsomme trin i hele reaktionen og derfor det

hastighedsbestemmende trin. Det må kunne skrives som

V = k3 · [ES], hvor hver gang at koncentrationen af ES stiger med 1, stiger reaktionshastigheden

med k3, som er vores hastighedskonstant, der er afhængig af temperatur og tryk.

Den maksimale hastighed opnås når alle enzymer er brugt i enzym-substrat-komplekset, da de

resterende substrater reagerer så langsomt uden katalysatoren (enzymet), at det ikke får betydning

for reaktionshastigheden. Derfor må den maksimale hastighed være hastighedskonstanten gange

koncentrationen af den samlede mængde enzymer (på grafen vises dette som det sidste stykke, hvor

linjen er parallel med x-aksen):

VMax = k3 · [ET] = k3 · [ES + E]

Vi dividerer vores hastighed V, med den maksimale hastighed VMax, og får:

𝑉

VMax=

𝑘3 [𝐸𝑆]

𝑘3 [𝐸𝑆] + [𝐸]=

[𝐸𝑆]

[𝐸𝑆 + 𝐸]

Michaelis-Menten-konstanten er den substratkoncentration der giver den halve VMax. Her er

substratkoncentrationen stadig lille. Det betyder at reaktionshastigheden her er ligefrem

proportional med koncentrationen af substrat. Denne del af grafen kaldes første orden, da

15

substratkoncentrationen er i 1. potens. 0. orden er når hastigheden er uafhængig af

substratkoncentrationen, altså når alle enzymer er bundet til et substrat. (Se figuren nedenfor22)

Ligevægtskonstanten (Michaelis-Menten-konstanten) er:

Km = [𝐸]∙[𝑆]

[𝐸𝑆]

Denne del udtrykker E + S ES. E og S er reaktanter, mens ES er produktet i denne ligning. Hvis

KS er stor, er en eller begge af reaktanernes koncentration større end koncentrationen af produktet,

og reaktionen vil gå mod højre. En reaktion i ligevægt vil altid prøve at modvirke enhver påvirkning

af reaktionen, til den er i ligevægt igen. Alle reaktioner går mod ligevægt. Når en reaktion er i

ligevægt, er ligevægtskonstanten lig 1. Vi isolerer koncentrationen af ES og indsætter i vores brøk

med de to hastigheder:

Km = [E]∙[S]

[ES] ↔ [𝐸𝑆] =

[𝐸]∙[𝑆]

Km

𝑉

VMax=

[𝐸] ∙ [𝑆]𝐾𝑚

[𝐸] ∙ [𝑆]𝐾𝑚

+ [𝐸]

Ved at dividerer med [E] i tæller og nævner og derefter rykke lidt rundt på ligningen får vi at

𝑉

VMax=

[𝑆]𝐾𝑚

[𝑆]𝐾𝑚

+ 1↔

𝑉

VMax(

[𝑆]

𝐾𝑚+ 1) =

[𝑆]

𝐾𝑚↔

𝑉

VMax=

1

[𝐾𝑚]𝑆 + 1

↔

𝑉 = 𝑉𝑀𝑎𝑥

[𝑆]

[𝑆] + 𝐾𝑚

Og så har vi altså Michaelis-

Menten-ligningen.

22 Figuren er fra http://www.biotechacademy.dk/undervisningsprojekter/enzymer/teori/enzymer/enzymkinetik.aspx. Jeg

har dog tilføjet de områder der viser 1. orden, 0. ordens kinetik.

16

𝐾𝑀 = 𝐾2+𝐾3

𝐾1. Hvis k2, altså hastigheden for reaktionen fra ES-komplekset er større end k3, kan Km

skrives som 𝐾𝑀 = 𝐾2

𝐾1, og i dette tilfælde vil en stor KM fortælle at bindingerne mellem substrat og

enzym er svage og vil gå tilbage til udgangspunktet substrat + enzym.

Grafen for Michaelis-Menten er dog ikke særlig nem at arbejde med. Derfor kan man omskrive

Michaelis-Menten ligningen og få en nemmere metode til at beregne VMax og KM:

Udgangspunkt:

𝑉 = 𝑉𝑀𝑎𝑥[𝑆]

[𝑆]+𝐾𝑚

Dividerer brøken med [S] og tager derefter den reciprokke værdi af alle led:

𝑉 = 𝑉𝑀𝑎𝑥

1

1 +𝐾𝑀[𝑆]

↔1

𝑉=

1

𝑉𝑀𝑎𝑥+

𝐾𝑀

𝑉𝑀𝑎𝑥∙

1

[𝑆]

Så kommer grafen til at se således ud:

23

Dette kaldes Lineweaver-Burk plot, og ligningen er nu på formen y = b + ax, og man kan derfor

nemmere regne KM og VMax da det er vores hældningkoefficient i en lineær funktion.

23 Fra http://www.biotechacademy.dk/undervisningsprojekter/enzymer/teori/enzymer/enzymkinetik.aspx

17

Forsøg: Enzymet katalase

Formål: At undersøge enzymet katalases katalytiske egenskaber ved forskellige pH-værdier. Dette

gøres ved at der laves fem forsøg med to reagensglas i hver. En kontrolprøve uden katalase plus en

opløsning med katalase.

Vi lader de fem forsøg reagerer på den samme tid, 10 min, fra vi tilsætter vores kartoffelstykker på

ca. 1 g, til vi tilsætter svovlsyre, som standser reaktionen. Ved titrering kan vi regne på hvor meget

hydrogenperoxid der har været tilbage efter første reaktion, derefter beregne

nedbrydningshastigheden ved de forskellige pH-værdier og dermed finde ud af hvor effektivt

katalase er, stadig ved de forskellige pH-værdier.

Vores første reaktionsligning så således ud:

2 H2O2 2 H2O + O2

Her spaltes hydrogenperoxid til vand og ilt. Reaktionen ville kunne foregå uden katalysator, men

meget langsomt.

pH-værdien fortæller om hvor surt eller basisk et stof er. En syre er et stof der har modtaget en H+

ion og en base er et stof der har afgivet en H+ ion.

Dette er en heterogen reaktion, da kartoflen ikke er opløst. Derfor er det vigtigt at man så vidt som

muligt prøver at lave det samme overfladeareal på alle 5 stykker kartoffel, da det er her stoffet og

enzymerne reagerer.

Titrering med 0,2 Molær KMnO4 fortæller hvor meget H2O2 der har været tilbage, og som dermed

ikke har reageret. Ved at titrerer på vores opløsning med KMnO4, kan man bestemme volumen og

regne stofmængden af KMnO4, og dermed beregne nedbrydningshastigheden for hver pH-værdi. Vi

titrerer på 5 mL fra hver opløsning fra første reaktion, en ad gangen, dog først på dem med

katalase.24

24 Se bilag 3 og 4

18

Reaktionsligningen for den anden reaktion ser således ud:

5H2O2 + 2KMnO4 +6H+ 2Mn2+ + 5O2 + 8H2O + 2K+

Man kan se at redoxprocessen er blevet afstemt, da den samlede elektriske ladning er ens på begge

sider af reaktionspilen, samt der er det samme antal atomer på begge sider af reaktionspilen.

Vi er interesseret i at finde stofmængden af KMnO4, så vi kan regne stofmængden af den

hydrogenperoxid der var tilbage efter forsøget, både med kartofler og uden, for så til sidst at kunne

regne nedbrydningshastigheden:

Bruger formlen n = C · V, til at beregne KMnO4’s stofmængde i de 10 forsøg (5 med katalase og 5

uden). Herefter ganges resultatet med 2,5, da forholdet mellem KMnO4 og H2O2 er 2:5. Vi har nu

stofmængden for H2O2 og kan sætte ind i formlen 𝑣 = 𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑑𝑎𝑟t − 𝑛𝑝𝑟ø𝑣𝑒

10 𝑚𝑖𝑛. 25

Når vi har fundet nedbrydningshastighederne for de forskellige pH-værdier, kan vi lave en graf med

hastigheden som funktion af pH-værdien. (Se bilag 3 for resultater og graf).

Forklaring af grafen:26 Man kan både ud fra grafen, men også på selve beregningerne se at katalase

er mest effektivt ved en pH-værdi på omkring de 5,6. Det er dog svært at sige særlig præcist, da vi

kun har målt på 5 forskellige pH-værdier. Dog giver grafen os et billede af at katalase er afhængig

af en bestemt pH-værdi, for at kunne arbejde effektivt. Man kan se hastigheden ved pH-værdien 3,7

er lig 0. Det vil sige at reaktionen går lige så hurtigt med katalase, som den gør uden, ved denne pH-

værdi. Det betyder at den slet ikke har nogen virkning. Ved pH-værdien 8,0, er effektiviteten faldet

igen. Generelt har katalasen ikke haft nogen voldsomt stor effekt, men det kan have noget at gøre

med de kartofler vi brugte. Da det er længe siden de er blevet gravet op fra jorden, og enzymer har

en begrænset levetid, må man kunne antage at enzym-koncentrationen ikke har været helt i top.

25 Se bilag 4, figur 10. 26 Bilag 4, figur 11.

19

Konklussion:

I denne opgave er enzymers (proteiners) strukturelle opbygning blevet beskrevet ved begreberne;

primær, sekundær, tertiær og kvartiær struktur. Der er samtidig gjort rede for hvordan enzymet

katalase er opbygget. Derudover er enzymers kinetik blevet beskrevet ved aktiveringsenergi,

Michaelis-Menten-Ligningen og hvad der påvirker et enzyms effektivitet både positivt og negativt.

Der er blevet lavet et forsøg der omhandlede katalase og dens effektivitet ved forskellige pH-

værdier. Reaktionshastigheden for katalase ved de forskellige pH-værdier, er blevet vist grafisk og

forklaret. Til sidst er der blevet perspektiveret til enzymer i industrien (hovedsagligt i vaskepulver)

og argumenteret for hvorfor enzymer er et miljørigtigt produkt at benytte.

Perspektivering: Enzymer i industrien I industrien er man meget interesseret i at bruge enzymer, bl.a. til at få diverse reaktioner til at gå

hurtigere. Det skyldes at enzymer nemme at kontrollere, forstået på den måde at de er meget

specifikke og samtidig arbejder ved stuetemperatur, samt man har flere simple metoder til at stoppe

virkningen for et enzym. Enzymer er noget der findes naturligt og de belaster ikke miljøet så hårdt,

både fordi de virker ved temperatur på ca. 30 °C til ca. 60 °C og ved almindeligt atmosfærisk tryk,

så man ikke behøver særligt udstyr for at opretholde de optimale vilkår for virkning, men også fordi

aminosyrerne hurtigt kan vende tilbage til naturen, når enzymet nedbrydes. Mange naturlige

enzymer bruges i industrien, det er bare mikroorganismers enzymer der bliver anvendt her.

Enzymer i vaskeindustrien er meget effektive. Der findes forskellige enzymer, til at fjerne

forskellige pletter. F.eks. anvendes Proteaser til at nedbryde proteinpletter, ved at nedbryde dem til

mere opløselige polypeptider, lipaser bruges til at nedbryde fedtpletter og amylaser bruges til at

nedbryde stivelse.

Der er i hvert fald ingen tvivl om at enzymer kan erstatte mange mere giftige stoffer, som er svære

at nedbryde efter brug, hvor enzymer nedbrydes biologisk. Enzymerne kan gå ind og spalte

proteinernes peptidbindinger ved vandoptagelse. De første vaskemiddelenzymer var ikke særlig

effektive, da de ikke kunne tåle den høje pH der var i vaskepulveret, men ved at muterer bakterier

har man været i stand til at udvikle og forbedre enzymerne.27

Enzymer er også blevet brugt utrolig meget i medicinalindustrien, da de bl.a. katalyserer de

reaktioner der sker, når vi indtager medicin.

27 Proteiner og enzymer af Hanne Hansen, s 118.

20

Figur 3: Den primære struktur for

et protein. Forkortelserne

repræsenterer forskellige

aminosyrer. I denne struktur er de

bundet sammen ved peptidbindinger

på grund af

kondensationsreaktioner. (se figur

1)(Lavet af Helene Zgaya i paint)

Figur 2: Denne figur viser tre aminosyrer der laver en

kondensationsreaktion, hvor vand bliver fraspaltet. Derved får vi tre

aminosyrer der er bundet sammen med en peptidbinding mellem hver

aminosyre.(Lavet af Helene Zgaya i paint)

Bilag 1

Figur 1: Aminosyre. Flere aminosyrer

sætter sig sammen som i figur 2. (Lavet

af Helene Zgaya i paint)

21

Figur 6: Den kvartiære struktur. Hver farve på

figuren repræsenterer en proteinkæde, altså en

tertiær struktur. Disse fire polypeptidbindinger er

bundet sammen til et stort protein. Ikke alle

proteiner har den kvartiære struktur.

Bilag 2

Figur 4: Begge figurer er eksempler på den sekundære struktur i et enzym. Rækkefølgen af aminosyrerne afgør om

strukturen bliver til en alfahelix (til venstre) eller om strukturen bliver til et betafoldeblad (til højre). Det er

hydrogenbindingerne (markeret med grøn) der danner disse strukturer. De lilla pinde er sidegrupperne.

Billedet er fra http://www.biotechacademy.dk/undervisningsprojekter/amp/teori/proteinstruktur.aspx.

Figur 5: viser den tertiære struktur for et protein. Som det

fremgår af figuren er der både alfahelixer og betafoldede

plader i den samme proteinkæde. Bogstaverne

repræsenterer de enkelte aminosyrer. Billedet er fra

http://www.biotechacademy.dk/undervisningsprojekter/am

p/teori/proteinstruktur.aspx.

22

Bilag 3

Resultater og beregninger fra forsøget:

Vi brugte følgende pH-værdier til forsøget og fik følgende resultater ved titrering:

Skema for beregnede værdier i titreret opløsning uden katalase. Aflæste antal mL brugt KMnO4 før

opløsningen blevet farvet lyserød.

pH Stofmængde for KMnO4 (n = C · V) Stofmængde for H2O2 (𝑛𝐾𝑀𝑛𝑂4∙ 2,5)

3,7 0,2 𝑚𝑜𝑙

𝐿 ·0,006 L = 0,0012 mol 0,0012 mol · 2,5 = 0,003

4,5 0,2 𝑚𝑜𝑙

𝐿 ·0,0061 L = 0,00122 mol 0,00116 mol · 2,5 = 0,00305

5,6 0,2 𝑚𝑜𝑙

𝐿 ·0,006 L = 0,0012 mol 0,00104 mol · 2,5 = 0,003

8,0 0,2 𝑚𝑜𝑙

𝐿 ·0,0062 L = 0,00124 mol 0,00114 mol · 2,5 = 0,0031

8,6 0,2 𝑚𝑜𝑙

𝐿 ·0,0062 L = 0,00124 mol 0,00114 mol · 2,5 = 0,0031

pH-værdi: Med katalase: Uden katalase:

3,7 6,0 mL = 0,006 L 6,0 mL = 0,006 L

4,5 5,8 mL = 0,0058 L 6,1 mL = 0,0061 L

5,6 5,2 mL = 0,0052 L 6,0 mL = 0,006 L

8,0 5,7 mL = 0,0057 L 6,2 mL = 0,0062 L

8,6 5,7 mL = 0,0057 L 6,2 mL = 0,0062 L

Skema for beregnede værdier i titreret opløsning med katalase. Aflæste antal mL brugt KMnO4 før

opløsningen blevet farvet lyserød.

pH Stofmængde for KMnO4 (n = C · V) Stofmængde for H2O2 (𝑛𝐾𝑀𝑛𝑂4∙ 2,5)

3,7 0,2 𝑚𝑜𝑙

𝐿 ·0,006 L = 0,0012 mol 0,0012 mol · 2,5 = 0,003

4,5 0,2 𝑚𝑜𝑙

𝐿 ·0,0058 L = 0,00116 mol 0,00116 mol · 2,5 =0.0029

5,6 0,2 𝑚𝑜𝑙

𝐿 ·0,0052 L = 0,00104 mol 0,00104 mol · 2,5 =0,0026

8,0 0,2 𝑚𝑜𝑙

𝐿 ·0,0057 L = 0,00114 mol 0,00114 mol · 2,5 =0,00285

8,6 0,2 𝑚𝑜𝑙

𝐿 ·0,0057 L = 0,00114 mol 0,00114 mol · 2,5 = 0,00285

Figur 7.

Figur 8.

Figur 9.

23

Figur 10.

Bilag 4

Indsætter de beregnede stofmængder i formlen 𝑣 = 𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑑𝑎𝑟t − 𝑛𝑝𝑟ø𝑣𝑒

10 𝑚𝑖𝑛 :

pH Nedbrydningshastigheden

3,7 𝑣 =

0,003 𝑚𝑜𝑙 – 0,003 𝑚𝑜𝑙

10 𝑚𝑖𝑛= 0

4,5 𝑣 =

0,00305 𝑚𝑜𝑙 – 0,0029 𝑚𝑜𝑙

10 𝑚𝑖𝑛= 1,5 · 10−5

5,6 𝑣 =

0,003 𝑚𝑜𝑙 – 0,0026

10 𝑚𝑖𝑛= 4,0 · 10−5

8,0 𝑣 =

0,0031 – 0,00285

10 𝑚𝑖𝑛= 2,5 · 10−5

8,6 𝑣 =

0,0031 – 0,00285

10 𝑚𝑖𝑛= 2,5 · 10−5

0

0,000005

0,00001

0,000015

0,00002

0,000025

0,00003

0,000035

0,00004

0,000045

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Has

tigh

ed

v

pH-værdi

Reaktionshastighed ved forskellige pH-værdier med

enzymet katalase.

Serie1

Figur 11: Grafen er forklaret på side 13.

24

Litteraturliste:

Internetsider:

http://www.biotechacademy.dk/undervisningsprojekter/enzymer/teori/enzymer.aspx

http://www.denstoredanske.dk/Natur_og_milj%C3%B8/Biokemi_og_molekyl%C3%A6rbiologi/Bi

okemi/katalase

http://www.biosite.dk/leksikon/catalase.htm

http://bioeksp.rigelsen.dk/oevelser/Katalase.htm

http://www.denstoredanske.dk/Natur_og_milj%C3%B8/Biokemi_og_molekyl%C3%A6rbiologi/Bi

okemi/peroxidaser

Bøger:

Hansen, Hanne: Proteiner og Enzymer. 1. udg. Systime, 1991. (Bog)

V. Sjaastad, Øystein m.fl.: Mennesket Fysiologi. 2. udg. Gads Forlag, 2006. (Bog)

Nielsen, Oluf og Anni Springborg: Biokemi og Genetik. 5. udg. Nyt Nordisk Forlag Arnold Busck,

2011. (Bog)

Novo Nordisk: Enzymer - hvor bruges de. 1. udg. Novo Nordisk, 1984. (Bog)

Mainz, Jan: Biokemi. 1. udg. Munksgaard, 1995. (Bog)

Zubay, Geoffrey: Biochemistry. 2. udg. Macmillan, 1988. (Bog)