Zersetzung von Wasserstoffperoxid durch Katalase

Versuch: OC 009
Zeitaufwand: 30min
       
Geräte: Chemikalien:

● Bunsenbrenner

● Tiegelzange

● Becherglas (50 ml)

● Schutzbrille

● Pipette

● Messer

● 1 Kartoffel

● 20 ml Kupfersulfatlösung (CuSO4)

● 10 ml Wasserstoffperoxid (H2O2) (c'=10- 35 %)

   
Sicherheitshinweise:
Kupfersulfat (CuSO4) Xn N R:20/22 36/38 42/43 S:22 24/25 26 46
Wasserstoffperoxid (H2O2) C O R:34 S:3-26-36/37/39-45
   
 Durchführung:

Die Kartoffel wird in in drei gleich dicke Scheiben geschnitten. Eine Scheibe bleibt unbehandelt. die zweite wird eine viertel Stunde in die Kupfersulfatlösung gegeben und die dritte wird über der Bunsenbrennerflamme stark erhitzt (nicht verkohlen) und dann lässt man diese abkühlen.

Anschließend wird auf die Kartoffel mit einer Pipette einige Tropfen Wasserstoffperoxid geträufelt.

   
Entsorgung
Schwermetallabfall
   
 Beobachtung:
Auf der unbehandelten Kartoffelscheibe beginnt das Wasserstoffperoxid direkt an zu sprudeln, nachdem die Flüssigkeit daraufgegeben wurde. Auf der erhitzten und getränkten Scheibe passiert nichts.

Video: Experiment

   
 Erläuterung:

Die Kartoffel besitzt ein Enzym, welches man Katalase nennt. Dieses Enzym vermag Wasserstoffperoxid zu zersetzen.

Wasserstoffperoxid entsteht in sogenannten Peroxisomen, das sind Organelle in tierischen und pflanzlichen Zellen, die die Aufgabe haben verschiedenste Stoffe zu oxidieren.

In diesem Beispiel wird eine Aminosäure durch eine Oxidase (oxidierendes Enzym) zu einer Ketosäure umgewandelt. Dabei nimmt ein wasserstoffübertragendes Coenzym (FAD) Wasserstoffteilchen auf und wird zum reduzierten FADH2. Das Sauerstoffmolekül oxidiert diese dann wieder zu FAD und es entsteht Wasserstoffperoxid. Wasserstoffperoxid ist aber ein starkes Oxidationsmittel und würde sofort körpereigene Stoffe zerstören. Damit dies nicht geschieht zersetzt die Katalase, welche im Peroxisom im Überschuss existiert, das Wasserstoffperoxid zu harmlosem Wasser und Sauerstoff.

Diese katalysierte Zersetzung von Wasserstoffperoxyd zu Wasser und Sauerstoff findet auch dann statt, wenn wir von außen Wasserstoffperoxid dazugeben: 2 H2O2 → 2 H2O + O2. Was ist eigentlich eine Katalyse?

Eine Katalyse ist eine Reaktion die beschleunigt oder mit weniger Energieaufwand stattfindet. Dabei ist der Katalysator nur während Reaktion beteiligt, er wird selber nicht umgesetzt: S + K → E + K. Der oder die Edukte werden als Substrat bezeichnet.

Katalysatoren sind substrat- und reaktionsspezifisch. Das heißt sie funktionieren nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip. Das Enzym (natürliche Katalysatoren von Lebewesen) kann nur mit dem einen Substrat reagieren und diese Reaktion ist immer gleich, es kommt also das gleiche heraus.

Das Substrat setzt sich bei der Katalyse in das sogenannte aktive Zentrum und bildet mit dem Enzym einen Komplex. Anschließend wird das Substrat zerlegt oder mehrere Substrate werden zusammengefügt.

 

Katalase:

Katalase ist ein Enzym, das dem Hämoglobin des Blutes chemisch ähnelt. Beide Substanzen haben Eisenionen eingelagert, die von zahlreichen Aminosäuren umgeben sind. Dabei nimmt dieses Proteid (Proteine mit Nichtproteinischen Bestandteile) eine beachtliche Größe ein. Die molare Masse beträgt ca. 2400000 g/mol. Das heißt ein Mol würde 240 Kilogramm wiegen.

Enzyme lassen sich aber auch hemmen.

Wenn man die Kartoffelscheibe erhitzt denaturiert die Katalase, das heißt sie verändert ihre Form. Dadurch kann das Substrat nicht mehr angelagert werden; die Reaktion läuft nicht mehr ab. Auch Schwermetallionen (Cu2+; Pb2+; Co2+) können die Form des Enzyms verändern. Entweder blockieren sie das aktive Zentrum irreversibel (unwiederrufbar) oder lagern sich irgendwo anders am Enzym an und verändern somit ihre Form. Ersteres nennt man nichtkompetitive Hemmung, letztere ist eine allosterische Hemmung.

Ein Substrat kann auch in Konkurrenz zu einem ähnlichen Stoff stehe, der in das aktive Zentrum passt, aber nicht zersetzt werden kann.

   
 weiterführende Informationen:
Versuchsskript