Weird Science

Katalaza - tlen trucizną

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Bio­lo­gia w Szkole (1/2019):

Ilustracja

Ples M., Kata­laza - tlen tru­ci­zną, Bio­lo­gia w Szkole, 1 (2019), Forum Media Pol­ska Sp. z o.o., str. 60-63

Zbiór wszyst­kich reak­cji che­micz­nych i związa­nych z nimi prze­mian ener­gii zacho­dzących w orga­ni­zmach żywych nazy­wamy meta­bo­li­zmem. Pro­cesy te pozwa­lają 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 z 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).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

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 inte­re­sy­hącej nas kata­lazy może zawie­rać też inne sub­stan­cję, m.in. tok­syczną dla czło­wieka sola­linę C45H73NO15 nale­żącą do gli­ko­al­ka­lo­i­dów.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Eks­trakt z bulwy ziem­niaka

Chcąc prze­ko­nać się o cha­rak­te­ry­stycz­nych wła­ści­wo­ściach oma­wia­nego przez nas enzymu musimy zbu­do­wać pro­stą apa­ra­turę, której sche­mat przed­sta­wia Rys.1.

Ilustracja
Rys.1 – Układ reak­cyjny; opis w tek­ście

Układ składa się z naczy­nia 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 d 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 1,5-2mm, jak to widać na Fot.3.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

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).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Spo­sób wygięcia rurki przy wyko­rzy­sta­niu drutu

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

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Gotowy zestaw

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

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

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).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

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).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

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).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.9 – Drożdże

Drożdże będące jed­no­ko­mór­ko­wymi grzy­bami są jed­nymi z naj­czę­ściej wyko­rzy­sty­wa­nych przez czło­wieka mikro­or­ga­ni­zmów.

Do naszych celów odro­binę drożdży trzeba roz­pro­wa­dzić w nie­wiel­kiej ilo­ści let­niej wody. Otrzy­mu­jemy w ten spo­sób zawie­sinę komórek drożdżo­wych (Fot.10).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.10 – Zawie­sina drożdży

Do trzech pro­bówek wpro­wadźmy kilka cm3 wody utle­nio­nej z dodat­kiem deter­gentu np. płynu do mycia naczyń (Fot.11A). Pro­bówka sta­nowi próbę kon­trolną i do niej doda­jemy jedy­nie 1cm3 wody, do próbówki b taką samą objętość zawie­siny drożdży, nato­miast do pro­bówki c zawie­sinę, która została na krótko dopro­wa­dzona do tem­pe­ra­tury wrze­nia, a następ­nie ostu­dzona do tem­pe­ra­tury poko­jo­wej.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.11 – Dzia­ła­nie zawie­siny drożdży na wodę utle­nioną; A – przed doda­niem zawie­siny, B – po doda­niu zawie­siny (opis w tek­ście)

Już po kilku sekun­dach można zau­wa­żyć wyraźne zmiany w wyglądzie próbek (Fot.11B). W pro­bówce b z zawie­siną drożdży zaczyna pow­sta­wać piana. Naj­wy­raźn­iej ich komórki są bogate w kata­lazę. Efektu tego nie można stwier­dzić w pro­bówce c zawie­ra­jącej drożdże potrak­to­wane pod­wyższoną tem­pe­ra­turą.

Na mar­gi­ne­sie: widoczny na foto­gra­fii sto­jak na pro­bówki został wyko­nany z frag­men­tów strzy­ka­wek przy­kle­jo­nych do pla­sti­ko­wej pod­stawy. Taka kon­struk­cja zapew­nia więk­szą przej­rzy­stość ze wszyst­kich stron niż ma to miej­sce w przy­padku tra­dy­cyj­nego sta­tywu, a jed­no­cze­śnie jest mało kosz­towna i pro­sta do wyko­na­nia w warun­kach szkol­nych.

Wra­ca­jąc do tematu chciałbym zau­wa­żyć, że wyja­śnie­nie obser­wo­wa­nego efektu jest dosyć pro­ste. Pow­sta­jący w reak­cji tlen zostaje dzięki deter­gen­towi uwięziony w obrębie cie­czy, więc pow­staje piana. Już po chwili – nawet z małych ilo­ści rea­gen­tów – uzy­sku­jemy całk­iem dużą ilość dosyć sztyw­nej piany (Fot.12).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.11 – Efekt doświad­cze­nia

Fakt, że w próbie kon­trol­nej nie zaszła żadna reak­cja jest zro­zu­miały. Dla­czego jed­nak w próbce c , która zawie­rała prze­cież drożdże (tyle, że potrak­to­wane odpo­wied­nią tem­pe­ra­turą) nie możemy zau­wa­żyć podob­nego efektu jak w przy­padku b?

Wyja­śnie­nie

Oma­wiany enzym kata­li­zuje reak­cję roz­kładu nad­tlenku wodoru do wody i tlenu według rów­na­nia reak­cji:

2H2O2 → 2H2O + O2

Nad­tle­nek wodoru jest sub­stan­cją nie­sta­bilną i samo­rzut­nie ulega reak­cji roz­kładu do wody i gazo­wego tlenu. W nor­mal­nych warun­kach, szcze­gól­nie w roz­cieńczo­nych roz­two­rach, reak­cja zacho­dzi jed­nak sto­sun­kowo powoli. Doda­tek kata­lazy bar­dzo sil­nie przy­spie­sza ten pro­ces, co zaob­ser­wo­wa­li­śmy w opi­sa­nych doświad­cze­niach.

Nie zaw­sze zda­jemy sobie sprawę z faktu, że życie w atmos­fe­rze tlenu jest dla orga­ni­zmów żywych dosyć dużym wyzwa­niem. Co prawda oddy­cha­nie tle­nowe zapew­nia możl­i­wość wytwo­rze­nia więk­szej ilo­ści ener­gii niż bez­tle­nowe, ale jed­no­cze­śnie powo­duje pow­sta­nie tak zwa­nych reak­tyw­nych form tlenu (ang. reac­tive oxy­gen spe­cies, ROS), których dzia­ła­nie jest destruk­cyjne dla wielu ele­men­tów komórek. Do grupy tych nie­bez­piecz­nych sub­stan­cji należy wła­śnie nad­tle­nek wodoru. Pow­staje on jako pro­dukt ubocz­nyi licz­nych pro­ce­sów meta­bo­licz­nych i aby chro­nić orga­nizm przed utle­nia­niem nad­tle­nek musi zostać szybko prze­ksz­tałc­ony do innych sub­stan­cji. Tlen cząstecz­kowy jest dużo mniej reak­tywny niż nad­tlenki, więc dzia­ła­nie kata­lazy chroni komórkę przed usz­ko­dze­niem [5].

Z uwagi na przy­to­czone fakty można więc stwier­dzić, że tlen – a przy­najm­niej pewne jego formy - jest tok­syczny. Orga­ni­zmy wyko­rzy­stu­jące ten pier­wia­stek w pro­ce­sie oddy­cha­nia musiały więc wypra­co­wać odpo­wied­nie mecha­ni­zmy obronne prze­ciwko niemu. Nie dziwi fakt, że kata­lazę można zna­leźć u prak­tycz­nie wszyst­kich stwo­rzeń żyjących w śro­do­wi­sku boga­tym w tlen. Enzym ten jest także jed­nym z naj­bar­dziej wydaj­nych, ponie­waż jest zdolny do prze­pro­wa­dze­nia milio­nów reak­cji roz­kładu cząste­czek nad­tlenku wodoru w każdej sekun­dzie [6].

Struk­tura cząsteczki kata­lazy jest tetra­me­ryczna - składa się z czte­rech łańc­u­chów poli­pep­ty­do­wych o dłu­go­ści ponad 500 ami­no­kwa­sów. Jako ciało białk­owe jest podatna na dena­tu­ra­cję, więc dzia­ła­nie odpo­wied­nio wyso­kiej tem­pe­ra­tury nie­o­dw­ra­cal­nie nisz­czy jej struk­turę i unie­możl­i­wia dzia­ła­nie enzymu (vide pro­bówka c w dru­gim doświad­cze­niu).

Dzia­ła­nie kata­lazy upo­śle­dza także obec­ność odpo­wied­nich jonów metali ciężk­ich. Jeśli cho­dzi o pH, to opti­mum dzia­ła­nia ludz­kiej kata­lazy jest zbli­żone do odczynu neu­tral­nego. Spraw­dze­nie wpływu zróżn­i­co­wa­nych czyn­ni­ków na aktyw­ność kata­li­tyczną enzymu może być przed­mio­tem dal­szych nie­skom­pli­ko­wa­nych, ale cie­ka­wych doświad­czeń.

Lite­ra­tura:

Auto­rem foto­gra­fii i rysun­ków jest Marek Ples.

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Marek Ples

Aa