Zersetzung von Wasserstoffperoxid mit Katalase

Demonstrationsexperiment auf Video

Zersetzung von Wasserstoffperoxid mit Katalase

Lernziele: Enzymkatalyse, Denaturierung von Enzymen durch Schwermetallsalze

Peter Keusch

English version

Chemikalien:
Wasserstoffperoxid-Lösung 30 %
0.1 %ige wässerige Quecksilber(II)-chlorid-Lösung

Geräte und Glaswaren:
4 Petrischalen d = 10cm
3 Vollpipette 30 mL
Pinzette

Gefahren und Sicherheitsmaßnahmen:

Quecksilber(II)-chlorid ist giftig. Es kann über die intakte Haut aufgenommen werde. Prinzipiell reizt der Stoff die Augen. Nach einem wiederholten oder chronischen Kontakt kann eine Schädigung der Nieren auftreten.

Wasserstoffperoxid 30 % entwickelt eine starke Ätzwirkung auf Haut, Schleimhäuten und Augen. Verschlucken führt zu starken Leibschmerzen sowie Übelkeit und Erbrechen.

Schutzbrille und Schutzhandschuhe beim Umgang mit Quecksilber(II)-chlorid und Wasserstoffperoxid erforderlich!

Versuchsdurchführung:

Vier Petrischalen werden wie folgt versorgt:
Schale A: 30 mL wässrige HgCl₂ - Lösung + 1 Stück roher Kartoffel
Schale B: 30 mL Wasserstoffperoxid - Lösung
Schale C: 30 mL Wasserstoffperoxid - Lösung
Schale D: 30 ml Wasser + 1 Stück roher Kartoffel

Die beiden Kartoffelstücke aus Schale A und D werden mit der Pinzette in die H₂O₂ - Lösungen von Schale B bzw. C gegeben.

Videoclip (Download RealPlayer .rm Datei)

Versuchsergebnis:

Während das mit HgCl₂ - Lösung getränkte Kartoffelstück nahezu unverändert bleibt (Schale C). Nach einiger Zeit sind lediglich ein paar Gasblasen bemerkbar. An dem unbehandelten Kartoffelstück (Schale B) setzt sofort eine intensive Schaumbildung ein, die auf die Entwicklung eines Gases zurückzuführen ist.

Deutung des Versuchsergebnisses:

Durch das in der Kartoffel enthaltene Enzym Katalase wird Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff zersetzt. Das mit HgCl₂ - Lösung behandelte Kartoffelstück ist vergiftet. Die Katalase ist desaktiviert. Neben Kupfer gehört Quecksilber zu den stärksten Inhibitoren.

Katalase enthält vier Porphyrin-Häm-Gruppen die für die katalytische Spaltung von Wasserstoffperoxid verantwortlich sind. Die Reaktion scheint in zwei Stufen abzulaufen:

Fe ( ) - E stellt das Eisenzentrum der Hämgruppe des Enzyms dar. Fe (IV) - E (.+) ist die mesomere Form von Fe (V) - E. Damit wird angedeutet, dass das Eisen nicht vollständig zur Oxidationsstufe + V oxidiert ist. Es wird angenommen dass es von einem Hämliganden ein "unterstützendes Elektron" erhält. Diese Hämgruppe wird als Radikalkation (.+) dargestellt.

Sobald Wasserstoffperoxid in das aktive Zentrum eintritt, tritt es in Wechselwirkung mit den Aminosäuren Asn147 (Asparagin in Position 147) und His74. Ein Proton wird von einem Sauerstoffatom des Peroxids auf das andere übertragen (über His74), die O - O -Bindung im Wasserstoffperoxid polarisiert und schließlich heterolytisch gespalten. Die Koordinierung eines Sauerstoffatoms des Peroxids an das Eisenzentrum setzt Wasser frei und führt zur Bildung O = Fe (IV) - E (.+). Zwei Elektronen wurden auf das koordinierte Sauerstoffatom übertragen, ein Elektron stammt vom Eisen und ein zweites vom Porphin. In einem zweiten Schritt reagiert O = Fe (IV) - E (.+) mit einem weiteren Wasserstoffperoxid-Molekül über einen Zwei-Elektron-Transfer unter Regeneration von Fe (III) - E und der Bildung von Wasser und molekularen Sauerstoff.

Hinweis:
Computergestützte Experimente Enzymkinetik: Enzymatische Spaltung von Wasserstoffperoxid mit Katalase

Liste der Experimente