Enzymforsøk med katalase fra griselever
Lov på eksamen
- Kalkulator
- CAS
- Graftegner og regneark
- Lærebok, formelsamling og egne notater
Ikke åpent internett, kommunikasjon med andre eller kunstig intelligens.
Kan den løses uten PC?
Alle deloppgavene kan løses uten PC.
Fra 2027 er det bare kalkulator og skriftlige hjelpemidler på del 2. Vurderingen er gjort med KI og kan inneholde feil.
Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.
For å undersøke egenskapene til et enzym fikk fem grupper utlevert hver sine fire erlenmeyerkolber med 10 % vannløsning av . Løsningen hadde romtemperatur. De justerte selv surhetsgraden i kolbene til pH2, pH4, pH7 og pH10 ved å tilsette små dråper av fortynnet saltsyre og natronlut, og kontrollerte resultatet med pH-papir.
Gruppene tilsatte deretter 1/10 ml av en leverekstrakt av gris, nøyaktig samtidig til hver av kolbene. Leverekstrakt inneholder store mengder av enzymet katalase, som gjør at raskt blir omdannet til oksygen og vann etter denne reaksjonsligningen: .
Når reaksjonen skjer, dannes det skum av -gass i kolbene.
Etter 3 minutter ga gruppene kolbene «karakterer» fra 1 til 4 etter hvor mye skum som var dannet, slik at kolben med mest skum ble rangert som nummer 4 og kolben som hadde utviklet minst skum, ble rangert som nummer 1. Hvis resultatet i to kolber så ganske likt ut, måtte gruppemedlemmene bestemme seg for hvilken av kolbene de ville gi den høyeste rangeringen.
Deretter gjorde gruppene det samme eksperimentet på nytt, men nå med kolber som alle hadde pH7, og som ble satt i vannbad som holdt 0 °C, 15 °C, 39 °C og 90 °C. (39 °C ble valgt fordi det er den normale kroppstemperaturen for gris.)
Til slutt ble forsøket gjentatt med en konstant pH på 7 og ved romtemperatur, men nå ble mengden av enzymekstrakt variert: 0,01 ml, 0,1 ml, 0,5 ml og 1,0 ml.
Gruppene satte observasjonene sine opp i denne tabellen:
| Gruppe | surhetsgrad | temperatur | enzymmengde | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| pH2 | pH4 | pH7 | pH10 | 0 °C | 15 °C | 39 °C | 90 °C | 0,01 ml | 0,10 ml | 0,5 ml | 1,0 ml | |
| Gruppe 1 | 1 | 2 | 4 | 3 | 2 | 3 | 4 | 1 | 1 | 3 | 2 | 4 |
| Gruppe 2 | 1 | 2 | 3 | 4 | 2 | 3 | 4 | 1 | 1 | 4 | 2 | 3 |
| Gruppe 3 | 1 | 2 | 4 | 3 | 2 | 3 | 4 | 1 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| Gruppe 4 | 1 | 2 | 3 | 4 | 2 | 4 | 3 | 1 | 1 | 3 | 4 | 2 |
| Gruppe 5 | 1 | 2 | 4 | 3 | 2 | 3 | 4 | 1 | 1 | 2 | 4 | 3 |
| Gjennomsnitt: | 1 | 2 | 3,6 | 3,4 | 2 | 3,2 | 3,8 | 1 | 1 | 2,8 | 3 | 3,2 |
Bruk tallene fra dette forsøket, og forklar grundig hva de kan fortelle om egenskapene til enzymet katalase. Hvor typisk er dette for enzymer generelt? Ville du vente andre resultater for andre enzymer?
Forklar på hvilken konkret måte høy og lav surhetsgrad, høy og lav temperatur og stor eller liten enzymmengde kan virke inn på enzymreaksjonen og gjøre at reaksjonen går langsommere eller stopper helt opp.
Vurder kvaliteten på resultatene for hver av de tre parametrene som ble undersøkt. Hvor sikre er resultatene?
Vurder metoden. Hvilke feilkilder har dette forsøket? Foreslå forbedringer som kan gi sikrere resultat.
Fasit
Katalase virker dårlig i surt miljø og best rundt pH 7–10, har høyest aktivitet ved 39 °C og er ødelagt ved 90 °C, og virker raskere jo mer enzym som tilsettes inntil substratet begrenser. Dette er typisk for enzymer, men andre enzymer har andre optima.
Feil pH endrer ladningene i enzymet og bryter tertiærstrukturen; høy temperatur denaturerer enzymet, lav temperatur gir bare få sammenstøt; enzymmengden bestemmer antall aktive seter til substratet blir begrensende.
pH-resultatene er entydige for pH 2 og pH 4, men forsøket kan ikke skille pH 7 fra pH 10. Temperaturresultatene er de sikreste. Resultatene for enzymmengde er usikre bortsett fra at 0,01 ml gir minst skum.
Viktige feilkilder er subjektiv rangering, skum som mål på fart, bare én avlesing etter 3 minutter, unøyaktig pH-justering og manglende kontroll. Forbedring: mål oksygenvolumet kvantitativt over tid, bruk buffere og flere gjentak.
LøsningsforslagKI-generert
Surhetsgrad. Alle fem gruppene ga pH 2 rangeringen 1 og pH 4 rangeringen 2. Katalase virker altså dårlig i surt miljø. pH 7 og pH 10 fikk gjennomsnittene 3,6 og 3,4, som er nesten like. Optimum ligger et sted i området fra nøytralt til svakt basisk.
Temperatur. 90 °C fikk rangering 1 hos alle gruppene, og 0 °C fikk 2 hos alle. Gjennomsnittene stiger fra 2 ved 0 °C til 3,2 ved 15 °C og 3,8 ved 39 °C. Aktiviteten øker altså med temperaturen opp mot kroppstemperaturen til grisen, og forsvinner ved 90 °C. At 0 °C likevel ga mer skum enn 90 °C, viser at kulde bare bremser enzymet, mens sterk varme ødelegger det.
Enzymmengde. 0,01 ml ga minst skum hos alle gruppene. De tre andre mengdene ligger tett (2,8, 3,0 og 3,2). Mer enzym gir raskere reaksjon, men bare opp til et punkt. Over 0,1 ml betyr økt enzymmengde lite, trolig fordi det meste av allerede er brukt opp i løpet av de tre minuttene.
Hvor typisk er dette? Dette er typisk for enzymer. Alle enzymer er proteiner med et aktivt sete, og alle har et pH-optimum og et temperaturoptimum og blir denaturert av sterk varme. Katalase fra gris har optimum nær grisens kroppstemperatur og nær den nøytrale pH-en inne i cellene, altså der enzymet normalt arbeider.
For andre enzymer ville vi vente andre optimumsverdier, fordi optimum svarer til miljøet enzymet virker i. Pepsin i magesekken har optimum rundt pH 2 og ville gitt en helt annen pH-kurve. Trypsin i tynntarmen har optimum rundt pH 8, og enzymer fra varmekjære bakterier tåler 90 °C. Formen på kurvene er likevel den samme: aktiviteten stiger mot et optimum og faller bratt etterpå.
Surhetsgrad. pH er et mål på konsentrasjonen av -ioner. Mange av sidegruppene i aminosyrene i enzymet er ladde, og ladningen deres endres når pH endres. Da brytes ionebindinger og hydrogenbindinger som holder tertiærstrukturen på plass. Enzymet skifter form, det aktive setet passer ikke lenger til substratet, og reaksjonen går langsommere. Ved ekstreme verdier som pH 2 blir enzymet denaturert, og endringen er som regel varig. Da stopper reaksjonen helt.
Temperatur. Høyere temperatur gir molekylene mer bevegelsesenergi. Enzym og substrat støter oftere og hardere sammen, det dannes flere enzym-substrat-komplekser per sekund, og reaksjonen går raskere. Over optimumstemperaturen blir bevegelsene så kraftige at de svake bindingene i tertiærstrukturen ryker. Enzymet denatureres, det aktive setet blir ødelagt, og ved 90 °C stopper reaksjonen helt. Ved lav temperatur er det motsatt: molekylene beveger seg lite, det blir få sammenstøt, og reaksjonen går sakte. Enzymet er ikke ødelagt og virker igjen når det blir varmet opp.
Enzymmengde. Hvert enzymmolekyl har ett aktivt sete og kan omdanne et bestemt antall substratmolekyler per sekund. Med lite enzym er antallet aktive seter den begrensende faktoren, og reaksjonen går sakte. Mer enzym gir flere aktive seter og raskere omdanning, så lenge det er rikelig med substrat. Når enzymmengden blir stor, er det substratkonsentrasjonen som begrenser farten, og reaksjonen stopper når all er brukt opp.
Surhetsgrad: entydig bare i den sure enden. Alle fem gruppene ga nøyaktig samme rangering for pH 2 og pH 4. Konklusjonen om at surt miljø hemmer katalase, er derfor godt underbygd. Men tre grupper rangerte pH 7 høyest, mens to rangerte pH 10 høyest. Gjennomsnittene 3,6 og 3,4 ligger så tett at forsøket ikke kan avgjøre hvilken av de to som gir mest aktivitet. At optimum er pH 7, er altså ikke vist.
Temperatur: de sikreste resultatene. Alle gruppene ga 90 °C rangering 1 og 0 °C rangering 2. Fire av fem grupper rangerte 39 °C høyest, og bare gruppe 4 byttet om på 15 °C og 39 °C. Gjennomsnittene 3,2 og 3,8 skiller seg tydeligere fra hverandre, så konklusjonen om at aktiviteten stiger mot 39 °C og forsvinner ved 90 °C, er rimelig sikker.
Enzymmengde: de minst sikre resultatene. Alle gruppene er enige om at 0,01 ml gir minst skum. Rangeringen av 0,1 ml, 0,5 ml og 1,0 ml varierer derimot fra gruppe til gruppe, og gjennomsnittene 2,8, 3,0 og 3,2 ligger godt innenfor det som må regnes som tilfeldig variasjon. Bare konklusjonen om at svært lite enzym gir svært lite skum, kan trekkes.
Felles svakhet. Tallene er rangeringer, ikke målinger. En rangering sier bare hva som er mer eller mindre, ikke hvor stor forskjellen er, og et gjennomsnitt av rangeringstall er derfor ikke et egentlig måltall. Med bare fem grupper er datagrunnlaget dessuten lite.
Metoden er enkel og gir et riktig hovedbilde, men den er kvalitativ og måler egentlig ikke reaksjonsfart.
Feilkilder
- Rangeringen er subjektiv, og gruppene ble tvunget til å skille mellom kolber som så like ut. Det lager forskjeller som kanskje ikke finnes.
- Skummengde er et dårlig mål på hvor mye oksygen som er dannet. Skummet synker sammen, og høyden avhenger av formen på kolben og av proteiner i leverekstraktet.
- Avlesing bare én gang, etter tre minutter, gir totalmengde og ikke fart. I de raskeste kolbene kan reaksjonen allerede være ferdig, og da viskes forskjellene mellom 0,1, 0,5 og 1,0 ml ut.
- pH ble justert med dråper syre og lut og kontrollert med pH-papir. Det er unøyaktig, og dråpene fortynner -løsningen ulikt i de fire kolbene.
- En tidels milliliter leverekstrakt er et lite volum å måle opp nøyaktig, og gruppene kan ha hatt ekstrakt med ulikt innhold av katalase.
- I temperaturforsøket hadde løsningen romtemperatur da den ble satt i vannbad. Kolbene rakk kanskje ikke å bli gjennomtemperert før enzymet ble tilsatt.
- Det var ingen kontroll uten enzym, som kunne vist at ikke spaltes av seg selv, og ingen kontroll på at syre og lut alene ikke gir bobler.
Forbedringer
- Mål oksygenet kvantitativt: samle gassen i en gassprøyte eller i en målesylinder over vann, og les av volumet hvert halve minutt. Da får vi en virkelig fart, målt i ml per minutt.
- Bruk bufferløsninger i stedet for dråper syre og lut, og flere pH-verdier, for eksempel 3, 5, 6, 7, 8 og 9.
- Temperer både -løsningen og enzymløsningen i vannbadet i ti minutter før de blandes, og bruk flere temperaturtrinn mellom 39 °C og 90 °C.
- Bruk det samme, godt blandede leverekstraktet i alle gruppene, og mål opp med nøyaktig pipette.
- Ta med en kontrollkolbe uten enzym.
- Gjenta hvert forsøk flere ganger, og regn ut gjennomsnitt med spredning i stedet for å rangere.