Die Enzymaktivität mit einem Sauerstoff-Sensor untersuchen
Enzyme spielen in verschiedenen Themenbereichen in der Chemie und Biologie eine wichtige Rolle. Die Enzymaktivität kann sich unter verschiedenen Bedingungen wie der Temperatur oder dem pH-Wert unterscheiden. Ein gut zu untersuchendes Enzym ist die Katalase. Diese spaltet Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff. Auf dieser Seite wird ein Experiment zur Enzymaktivität der Katalase unter Einfluss der Temperatur vorgestellt. Dabei wird mit einem Sauerstoff-Sensor gearbeitet, der den Sauerstoff-Anteil in Prozent messen kann.
⬤ Versuchsaufbau und Durchführung
Die Abbildung 1 zeigt den Aufbau des Experiments. Es wird mit einer 3%igen Wasserstoffperoxid-Lösung gearbeitet, die in ein großes Reagenzglas (∅ 2 cm) gegeben und deren Temperatur gemessen wird. Das Reagenzglas muss so gewählt werden, dass der Sauerstoff-Sensor das Reagenzglas an der Öffnung abschließt. Der Sauerstoff-Sensor wird mit der passenden App verbunden und die Messwerterfassung auf 60 Sekunden eingestellt. Danach wird die Trockenhefe hinzugegeben und die Messwerterfassung gestartet.
Abbildung 1: Versuchsaufbau zur Messung der Enzymaktivität mit einem Sauerstoff-Sensor.
Bei der Versuchsdurchführung ist es wichtig, dass immer die gleiche Menge an Trockenhefe hinzugegeben wird. Diese kann abgewogen oder die kleinen Hefe-Kugeln können abgezählt werden. 20 Hefe-Kugeln führen bei diesem Versuch zu guten Ergebnissen.
⬤ Wiederholen des Versuchs bei verschiedenen Temperaturen
Die Abbildungen 2 und 3 zeigen die Wiederholung des Versuchs bei verschiedenen Temperaturen. In Abbildung 2 wird die Wasserstoffperoxid-Lösung mit Hilfe von Eiswürfeln gekühlt und in Abbildung 3 ist zu erkennen, dass die Wasserstoffperoxid-Lösung mit Hilfe einer Heitzplatte erwärmt wird.
Abbildung 2: Kühlen der Wasserstoffperoxid-Lösung.
Abbildung 3: Erwärmen der Wasserstoffperoxid-Lösung.
⬤ Die Durchführung des Experiments im Video
Das folgende Video zeigt die Durchführung des Experiments. Das Video kann den Lernenden zum Beispiel in der Vorbereitung präsentiert oder in einer Arbeitsphase als Hilfestellung zur Verfügung gestellt werden.
Video 1: Durchführung des Experiments im Video.
Die Videoanleitung finden Sie auf einer extra für Schüler:innen ausgelegten Ansicht. Den QR-Code können Sie im Unterricht zeigen, damit die Lernenden direkt dorthin gelangen können.
⬤ Beispielhafte Ergebnisse der Messwerterfassung
Die Abbildungen 4 und 5 zeigen die Darstellung der Messwerte bei 16,6 °C bzw. bei 0 °C. Es ist zu erkennen, dass der Sauerstoff-Anteil jeweils zunimmt. Allerdings unterscheidet sich die Zunahme. Bei 16,6 °C wird erhöht sich der Sauerstoff-Anteil um 0,56 %, während sich bei 0 °C der Sauerstoff-Anteil nur um 0,43 % erhöht. Diese Werte können aus der Differenz des Anfangs- und Endwerts berechnet werden. Der Endwert ist in der Datentabelle nicht zu erkennen. Dieser lässt sich jedoch aus dem Diagramm am Ende ablesen.
Die Differenz bei 16,6 °C lässt sich wie folgt berechnen: 20,14% — 19,58% = 0,56%
Abbildung 4: Zunahme des Sauerstoff-Anteils bei 16,6°C.
Abbildung 5: Zunahme des Sauerstoff-Anteils bei 0 °C.
Die berechneten Werte können in einem neuem Diagramm (Abbildung 6) eingetragen werden. Dabei wird deutlich, dass die Enzymaktivität bis 37 °C steigt und danach wieder abfällt. Diese Ergebnisse entsprechen den Literaturwerten und können im Unterricht weiter diskutiert werden, um eine Erklärung für die unterschiedlichen Enzymaktivitäten zu finden.
Abbildung 6: Enzymaktivität der Katalase in Abhängigkeit von der Temperatur.
⬤ Die Umsetzung im Unterricht
Für die Durchführung des Experiments wurde ein Arbeitsmaterial erstellt, das direkt im Unterricht eingesetzt werden kann. Außerdem ist auf dem Material die Versuchsdurchführung als Video verlinkt. Damit können sich die Lernenden auf das Experiment vorbereiten.
Die Unterrichtsplanung ist zudem abhängig von der Anzahl der Sauerstoff-Sensoren.
- Sollte nur ein Sauerstoff-Sensor vorhanden sein, können die unterschiedlichen Temperaturbedingungen von einzelnen Schülergruppen vorbereitet werden und die Lehrkraft gibt den Sensor für die einzelnen Messungen nach und nach an die einzelnen Gruppen weiter.
- Eine weitere Möglichkeit wäre, das Experiment im Plenum als Demonstartionsexperiment durchzuführen und die Werte gemeinsam zu notieren.
- Eine letzte Möglichkeit ist, das Experiment im Plenum bei Raumtemperatur oder ausgewählten Temperaturen durchzuführen und die fehlenden Werte aus dem Arbeitsmaterial 02 zu verwenden. In dem Material sind die Diagramme der einzelnen Messwerterfassungen enthalten. Diese können von den Lernenden abgelesen und berechnet werden.
Die Auswertung und Erstellung des Diagramms kann im Anschluss in Kleingruppen erfolgen. Die Erstellung des Diagramms kann händisch oder mit KeyNote bzw. Numbers (beides iOS-Apps) erfolgen. Die Erstellung in KeyNote ist sehr einfach und lässt sich zügig erledigen. Das Video 2 zeigt beispielhaft, wie ein Diagramm in KeyNote erstellt werden kann. Dieses Video steht den Lernenden ebenfalls über einen QR-Code zur Verfügung.
Video 2: Erstellen von einem Diagramm in KeyNote.
Downloads und Links
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Arbeitsmaterial
Durchführung des Experiments
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Arbeitsmaterial
Messkurven zu den unterschiedlichen Temperaturen
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Link
Videos und Messkurven für die Lernenden in der Schüler:innenansicht