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Geschwindigkeitsmessung der Enzymaktivität

von Adrian Pflugmacher

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Ziel des Versuchs In diesem Versuch wird die Reaktionsgeschwindigkeit enzymatischer Reaktionen in Abhängigkeit der Substratkonzentration am Beispiel des Stoffwechselprozesses von Hefe thematisiert.

Vorbemerkung

Dieser Versuch zeigt die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von enzymatischen Reaktionen. Durch eine Messung des entstehenden Gasvolumens kann ein Volumen-Zeit- Diagramm erstellt und hierüber die Reaktionsgeschwindigkeit ermittelt werden. Zudem wird die Abhängigkeit der Reaktion von der Substratkonzentration aufgezeigt.

Materialien

Pneumatische Wanne, Messzylinder, Stativmaterial, Reagenzglas mit Olive, PVC-Schlauch, Wasserbad (38 °C), Stopfen, Stoppuhr

Chemikalien

Bäckerhefe, Haushaltszucker, Wasser

Gefahrstoffe

Gefahrstoff H-Sätze P-Sätze GHS-Piktogramme
Zucker – – –

Durchführung

Der Messzylinder wird mit Wasser gefüllt und mit der Öffnung nach unten zum Auffangen von Gasen in der pneumatischen Wanne platziert. Diese wird über einen PVC-Schlauch mit dem Reagenzglas verbunden. Aus 20 g Hefe und 100 mL Wasser wird eine Suspension hergestellt, von der 10 mL in das Reagenzglas mit Olive gegeben werden. 20 g Haushaltszucker werden in 100 mL Wasser gelöst und davon 20 mL zur Hefesuspension in das Reagenzglas gefüllt, dass nun mit einem Stopfen verschlossen wird. Die Zeit wird gemessen und das Gasvolumen protokolliert. Der Versuch wird mit einer zehnfach verdünnten Zuckerlösung wiederholt.

Beobachtung

Nach etwa 5 Minuten ist eine Gasentwicklung zu beobachten. Die Skala des Messzylinders beginnt bei 5 mL und ist nach 11,5 Minuten erreicht. Ab hier steigt das Gasvolumen, wie in Tabelle 1 aufgezeichnet.

Tabelle 1: Messwerte des Versuchs zur Geschwindigkeitsmessung der Enzymkinetik

Zuckerlösung 1    Zuckerlösung 2
t [min] t [s] V [mL] t [min] t [s] V [mL]
0 0 0 0 0 0
5 300 0 5 300 0
11,5 690 5 10 600 0
13 780 7 22 1320 5
14,5 870 9 25 1500 7
17 1020 12,5 27 1620 8,5
19,5 1170 16 29 1740 10
22 1320 20 32,5 1950 12
22,5 1350 25 35 2100 14
27,5 1650 28 37,5 2250 15
30 1800 32 40 2400 16
32,5 1950 35  
35 2100 39
37,5 2250 43
40 2400 47

Abbildungen

  • Abb. 1: Versuchsaufbau zur Geschwindigkeitsmessung der Enzymaktivität

Deutung

Die Geschwindigkeit der Reaktion kann über ein Volumen-Zeit-Diagramm ermittelt werden. In Abbildung 2 sind die Messwerte für beide Zuckerlösungen aufgetragen und werden im Weiteren mit Substratkonzentration bezeichnet. Die Substratkonzentration 1 ist aufgrund der durchgeführten Verdünnung um das zehnfache größer als die Substratkonzentration 2.

Anhand der Steigung des linearen Fits in der Auftragung zeigt sich, dass die Geschwindigkeit der Reaktion bei Zehnfacher Substratkonzentration als etwa dreimal schneller einzuschätzen ist als bei der niedrigeren Konzentration. Das zeigt, dass auch hier, wie bei allen chemischen Reaktionen, Teilchenkollisionen nötig sind, um Reaktionen ablaufen zu lassen. Bei höherer Konzentration ist die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen, die zur Reaktion führen, deutlich größer.

Anhand der Abhängigkeit der Enzymaktivität von der Substratkonzentration kann in sich anschließenden Einheiten dann auch die Michaelis-Menten-Kinetik behandelt werden.

Entsorgung

Die Lösungen können über den Abfluss entsorgt werden.

Anmerkungen & Unterrichtsanschlüsse

Alternativ kann die Gärung mit Brauhefe durchgeführt werden. Diese hat eine sehr hohe Aktivität und könnte die Durchführung beschleunigen sowie genauere Messergebnisse liefern. Je nach Sorte ist hier auch vom Hersteller ein Temperaturoptimum angegeben. So kann in diesem Zusammenhang auch die alkoholische Gärung thematisiert werden.

Literatur

Schwamborn, M.; Schütte, O. (2014): Praktikumsskript spezielle organische Chemie für Lehramtskandidaten. Georg-August-Universität Göttingen.

Brown, Theodore L.; LeMay, Harold Eugene; Bursten, Bruce Edward; Robl, Christian (2011): Chemie. Studieren kompakt. 10., aktualisierte Aufl. München: Pearson