Dołącz do czytelników
Brak wyników

Laboratorium

30 stycznia 2019

NR 31 (Styczeń 2019)

Katalaza. Tlen trucizną

0 197

Zbiór wszystkich reakcji chemicznych i związanych z nimi przemian energii zachodzących w organizmach żywych nazywamy metabolizmem. Proces ten pozwala na uzyskiwanie przez organizm energii, utrzymanie uporządkowanej struktury, wzrost, rozmnażanie i odpowiadanie na bodźce pochodzące ze środowiska zewnętrznego.
Reakcje metaboliczne szereguje się zwykle do dwóch głównych klas: katabolicznych i anabolicznych. Pierwsze z nich przekształcają związki chemiczne z wytworzeniem możliwej do wykorzystania w ustroju energii, drugie zaś wymagają dostarczenia energii. Do katabolizmu zaliczają się więc reakcje egzoenergetyczne, a do anabolizmu endoenergetyczne [1–2]. 
Stopień skomplikowania reakcji metabolicznych jest bardzo wysoki i są one zorganizowane w tzw. szlaki metaboliczne. Mianem tym określa się szeregi procesów, w których produkty jednej reakcji (metabolity) są wykorzystywane jako substraty kolejnej. Niektóre szlaki metaboliczne zazębiają się na określonych etapach z innymi. Wiele ze wspomnianych reakcji jest niekorzystnych termodynamicznie. Dlatego bardzo istotną rolę pełnią tutaj enzymy, czyli biologiczne katalizatory [3]. Poza obniżaniem energii aktywacji reakcji metabolicznych enzymy pozwalają także na regulację wydajności działania określonych szlaków. Ich specyficzność jest z reguły dużo większa niż katalizatorów nieorganicznych, co ma wielkie znaczenie dla organizmu. Dzieje się tak, ponieważ każdy enzym katalizuje zaledwie kilka reakcji spośród wielu możliwych dla danych substratów. W ten sposób enzymy determinują procesy metaboliczne składające się na chemiczną stronę fenomenu nazywanego przez nas życiem. 
Większość enzymów to wielkocząsteczkowe ciała białkowe, jednak istnieją też enzymy niebiałkowe, np. rybozymy zbudowane z kwasu rybonukleinowego.
Wśród wielkiej liczby istniejących enzymów wybrałem dziś jeden, z którym przeprowadzimy kilka ciekawych doświadczeń. Jest to katalaza, otrzymana w stanie krystalicznym po raz pierwszy w 1937 roku przez J.B. Sumnera [4]. Należy ona do klasy oksydoreduktaz, czyli biologicznych katalizatorów procesów redoks.

Doświadczenie

Źródłem katalazy do naszych doświadczeń może być zróżnicowany materiał biologiczny. Możemy wykorzystać katalazę występującą w komórkach bulwy pędowej ziemniaka Solanum tuberosum (fot. 1).

Fot. 1. Bulwa ziemniaka wykorzystana w doświadczeniu

By otrzymać preparat zawierający katalazę, należy obrać surową bulwę ziemniaka, pociąć ją na fragmenty odpowiedniej wielkości, a następnie utrzeć (najlepiej używając kuchennego blendera) wraz z niewielką ilością wody o temperaturze pokojowej. Przecier należy następnie przesączyć przez gazę. Uzyskany płyn najlepiej szybko wykorzystać, ponieważ nie można go zbyt długo przechowywać (fot. 2). Pamiętajmy też, że wyciąg obok interesującej nas katalazy może zawierać też inne substancje, m.in. toksyczną dla człowieka solalinę C45H73NO15 należącą do glikoalkaloidów.

Fot. 2. Ekstrakt z bulwy ziemniaka


Chcąc przekonać się, jakie są charakterystyczne właściwości omawianego przez nas enzymu, musimy zbudować prostą aparaturę, której schemat przedstawia rys. 1.

Rys. 1. Układ reakcyjny; opis w tekście


Układ składa się z naczynia a zawierającego roztwór nadtlenku wodoru H2O2 o stężeniu 3% (apteczną wodę utlenioną) i katalazę, zamkniętego korkiem (b), w którym jest osadzona elastyczna rurka (c). Drugi koniec rurki uchodzi do odwróconej do góry dnem probówki zanurzonej w naczyniu (e). Probówka jest początkowo całkowicie wypełniona wodą, która będzie wypierana przez powstający w reakcji gaz.
W razie zastosowania elastycznej rurki pewnym problemem może być jej trwałe wygięcie w kształt ułatwiający umieszczenie jej końca w probówce. Chciałbym zaproponować prosty sposób rozwiązania tej kwestii. W tym celu należy przygotować fragment dosyć sztywnego drutu – np. miedzianego o średnicy 1,5–2 mm – co widać na fot. 3.

Fot. 3. Rurka i drut miedziany


Drut po wsunięciu do rurki nie blokuje jej światła, a jednocześnie pozwala na odpowiednie wygięcie i ukształtowanie rurki w zależności od potrzeb (fot. 4).

Fot. 4. Sposób wygięcia rurki przy wykorzystaniu drutu


Naczynie reakcyjne (rys. 1a) dosyć wygodnie jest zastąpić strzykawką, np. o pojemności 10 cm3. Zbudowany w ten sposób zestaw doświadczalny przedstawia fot. 5.

Fot. 5. Gotowy zestaw


W strzykawce umieszczono około 4 cm3 wody utlenionej, a następnie dodano 2 cm3 świeżo przygotowanego ekstraktu ziemniaczanego. Prawie natychmiast możemy zaobserwować efekt rozpoczęcia się reakcji: gwałtowne pienienie się mieszaniny i uwalniane dużych ilości jakiegoś gazu (fot. 6).

Fot. 6. Pienienie się mieszaniny reakcyjnej


Uchodzący przez rurkę gaz jest kierowany do probówki i zbiera się nad powierzchnią wody, stopniowo wypierając ją z naczynia (fot. 7).

Fot. 7. Zbieranie powstającego gazu nad powierzchnią cieczy


Jak widzimy w reakcji powstaje pewien gaz. Nie ma on barwy ani zapachu. Dosyć łatwo go zidentyfikować, wkładając żarzące się drewienko do probówki. Można zrobić to też inaczej: do żarzącego się drewienka (fot. 8A) zbliżyć ujście rurki, którą płynie powstający gaz. W obu przypadkach w kontakcie z badanym gazem drewienko gwałtownie rozpala się jasnym płomieniem (fot. 8B).

Fot. 8. Identyfikacja gazu; A – żarzące się drewienko; B – drewienko rozpala się pod wpływem gazu (asteryskiem oznaczono ujście gazu)


Uzyskany efekt próby wskazuje, że powstającym gazem jest tlen O2, który podtrzymuje spalanie. W atmosferze wzbogaconej w tlen (w stosunku do powietrza atmosferycznego) lub w czystym tlenie spalanie zachodzi o wiele energiczniej.
W kolejnych doświadczeniach zastosujemy inny materiał. Bogatym źródłem katalazy są drożdże Saccharomyces cerevisiae, np. piekarnicze prasowane (fot. 9).

Fot. 9. Drożdże


Drożdże będące jednokomórkowymi grzybami są jednymi z najczęściej wykorzystywanych przez człowieka mikroorganizmów.
Do naszych celów odrobinę drożdży trzeba rozprowadzić w niewielkiej il...

Pozostałe 70% treści dostępne jest tylko dla Prenumeratorów.

Co zyskasz, kupując prenumeratę?
  • 6 wydań czasopisma "Biologia w Szkole"
  • Dostęp do wszystkich archiwalnych artykułów w wersji online
  • ...i wiele więcej!
Sprawdź

Przypisy