Weird Science

Obserwacja efektów aktywności katalitycznej amylazy ślinowej

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Bio­lo­gia w Szkole (3/2023):

Ilustracja

Ples M., Wykry­wa­nie efek­tów aktyw­no­ści kata­li­tycz­nej amy­lazy śli­no­wej, Bio­lo­gia w Szkole, 3 (2023), Forum Media Pol­ska Sp. z o.o., str. 38-40

Enzymy wokół nas

Żywy orga­nizm składa się z mate­rii tego samego rodzaju co wszyst­kie ota­cza­jące nas przed­mioty. Nic więc dziw­nego, że w jego struk­tu­rze bar­dzo ważną funk­cję pełnią swo­i­ste związki che­miczne. Jed­nymi z naj­ważn­iej­szych są enzymy.

Enzymy to wiel­ko­cząstecz­kowe, w więk­szo­ści białk­owe kata­li­za­tory. Kata­li­za­to­rami zwiemy zaś związki che­miczne, które mogą przy­spie­szyć prze­bieg reak­cji pozor­nie same w niej nie uczest­ni­cząc – oczy­wi­ście w rze­czy­wi­sto­ści cząstka kata­li­za­tora bie­rze udział w pro­ce­sach che­micz­nych i ulega pew­nym prze­ksz­tałc­e­niom, jed­nak w toku reak­cji ulega na końcu odtwo­rze­niu w nie­zmie­nio­nej postaci. Dzieje się tak dla­tego, że kata­li­za­tory mają zdol­ność do obni­że­nia ener­gii akty­wa­cji reak­cji che­micz­nej (Rys. 1). Ener­gia ta to najm­niej­sza ilość ener­gii, jaką trzeba dostar­czyć by reak­cja się roz­po­częła. Na przed­sta­wio­nym wykre­sie możemy zau­wa­żyć, że ener­gia akty­wa­cji reak­cji nie­ka­ta­li­zo­wa­nej Ea1 jest rze­czy­wi­ście wyższa niż reak­cji kata­li­zo­wa­nej Ea2. Zau­ważmy też, że suma­ryczna różn­ica ener­gii wew­nętrz­nej między sub­stra­tami a pro­duk­tami ΔE nie ulega zmia­nie przy zasto­so­wa­niu kata­li­za­tora.

Ilustracja
Rys. 1 – Dzia­ła­nie kata­li­za­tora; wykres czarny – reak­cja bez kata­li­za­tora, wykres szary – reak­cja z udzia­łem kata­li­za­tora; opis w tek­ście

Orga­ni­zmy żywe wyko­rzy­stują bar­dzo wiele różn­ych enzy­mów. Ich dzia­ła­nie jest bar­dzo spe­cy­ficzne, enzym zwy­kle kata­li­zuje jedną lub co naj­wy­żej kilka reak­cji. Bez nich zja­wi­sko zwane życiem byłoby nie­możl­iwe.

Spróbu­jemy wykryć jeden z nich. Sto­sun­kowo łatwo możemy wyka­zać dzia­ła­nie ptia­liny czyli amy­lazy śli­no­wej. Jej aktyw­ność kata­li­tyczna powo­duje roz­bi­cie cząstki skom­pli­ko­wa­nego wie­lo­cu­kru jakim jest skro­bia. Natu­ralna skro­bia jest w isto­cie mie­sza­niną dwóch związ­ków, amy­lozy i amy­lo­pek­tyny [1].

Skro­bia jest naj­ważn­iej­szym poli­sa­cha­ry­dem zapa­so­wym u roślin, które maga­zy­nują go w owo­cach, nasio­nach, korze­niach w for­mie zia­ren w liściach, bul­wach, rdze­niu łodygi i kłączach. Szcze­gól­nie bogate w skro­bię są ziarna zbóż i bulwy ziem­niaka (Fot.1). Jest ona dobrym skład­ni­kiem odżyw­czym i głów­nym węglo­wo­da­nem w die­cie czło­wieka [2].

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

1 – Skro­bia ziem­nia­czana

Orga­nizm czło­wieka nie może jed­nak bez­po­śred­nio wyko­rzy­sty­wać skrobi. W jaki więc spo­sób pobie­ramy ją z pokarmu? Odgrywa tutaj nie­ba­ga­telną rolę amy­laza: kata­li­zuje ona reak­cję roz­kładu skrobi na mal­tozę i dek­strynę. Te prost­sze cukry są dalej roz­kła­dane aż do glu­kozy, która może być już wch­ło­nięta do krwio­o­biegu. Pierw­szy kon­takt amy­lazy ze spo­ży­waną skro­bią zacho­dzi już w jamie ust­nej, ponie­waż enzym ten jako ptia­lina jest zawarta w śli­nie. W tym doświad­cze­niu dowie­dziemy, że rze­czy­wi­ście amy­laza występuje w śli­nie i roz­kłada skro­bię.

Przy­go­to­wa­nie

Jako źródło skrobi wyko­rzy­stamy mąkę ziem­nia­czaną. Nie roz­pusz­cza się ona nie­stety w wodzie na zimno. Musimy postąpić nieco ina­czej. Należy wsy­pać nie­wielką ilość (szczyptę) mąki ziem­nia­cza­nej do około szklanki wody. Następ­nie ciągle mie­sza­jąc pod­grze­wać powoli na kuchence aż do tem­pe­ra­tury wrze­nia. Powin­ni­śmy zau­wa­żyć zgęst­nie­nie mie­sza­niny. Po och­ło­dze­niu powi­nien pow­stać gęst­szy lub rzad­szy kroch­mal (kisiel). Ma on jed­nak zbyt duże stęże­nie skrobi jak na nasze potrzeby. Do szklanki zim­nej wody doda­jemy więc jedy­nie jedną lub dwie łyżki poprzed­nio przy­go­to­wa­nego kroch­malu i mie­szamy. Otrzy­many roz­twór skrobi jest gotowy do doświad­cze­nia. Nale­wany równą ilość roz­tworu do dwóch pro­bówek. Jedną pozo­sta­wiamy bez zmian, zaś do dru­giej doda­jemy nie­wielką ilość (parę kro­pli) śliny (Fot.2).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot. 2 – Zestaw doświad­czalny; po lewej – próbka kon­trolna bez dodatku śliny, po pra­wej – próbka badana z dodat­kiem śliny

Pro­bówki powinny teraz być prze­cho­wy­wane z cie­płym miej­scu. Tem­pe­ra­tura zbli­żona do tem­pe­ra­tury ciała wpływa korzyst­nie na szyb­kość zacho­dzącej reak­cji, nie można jed­nak sto­so­wać dużo wyższych tem­pe­ra­tur. Pamiętajmy, że zawarta w śli­nie amy­laza jest białk­iem, więc w wyższej tem­pe­ra­tu­rze się po pro­stu ścina (ulega dena­tu­ra­cji) i prze­staje wyka­zy­wać swoje wła­ści­wo­ści kata­li­tyczne. Pro­bówki można zanu­rzyć na czas inku­ba­cji w let­niej wodzie.

Ana­liza

Po dwóch godzi­nach przy­stępu­jemy do ana­lizy. W celu wykry­cia skrobi zasto­su­jemy kupioną w aptece jodynę. Jest to alko­ho­lowy roz­twór jodu, który ma tę wła­ści­wość, że wiąże się z cząstecz­kami skrobi nada­jąc jej fio­le­tową lub nie­bie­ską barwę (w mniej­szym stęże­niu).

Cho­ciaż występu­jąca w doświad­cze­niu jodyna nie jest silną tru­ci­zną to należy zacho­wać środki ostrożn­o­ści jak zaw­sze przy pracy z che­mi­ka­liami. Jodyna może powo­do­wać silną reak­cję uczu­le­niową u niek­tórych osób. Należy także uwa­żać, ponie­waż nie­roz­cieńczony roz­twór jodu pozo­sta­wia na skórze trudne do usu­nięcia plamy.

Chcąc prze­ko­nać się o wła­ści­wo­ściach kata­li­tycz­nych amy­lazy śli­no­wej doda­jemy do każdej z pro­bówek po parę kro­pel jodyny. Zawar­tość jed­nej z pro­bówek ulega wybar­wie­niu, zaś barwa dru­giej pozo­staje bez zmian (Fot.3).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot. 3 – Zestaw doświad­czalny po reak­cji; po lewej – próbka kon­trolna bez dodatku śliny (wystąpiło zabar­wie­nie kom­pleksu jodu ze skro­bią), po pra­wej – próbka badana z dodat­kiem śliny (brak zabar­wie­nia)

Zwróćmy uwagę, że wybar­wie­niu ule­gła jedy­nie zawar­tość pro­bówki, która nie zawie­rała amy­lazy śli­no­wej. W pro­bówce, która zawie­rała dodat­kowo ten enzym nie zaob­ser­wo­wano żad­nej barwy.

Wyja­śnie­nie

Brak barwy w jed­nej z pro­bówek świad­czy, że nie ma już w niej skrobi. Została ona roz­ło­żona przez zawartą w śli­nie amy­lazę. Enzym ten nisz­czy wiąza­nia między mono­me­rami skrobi, którymi są cząsteczki glu­kozy. W wyniku tego pow­stają prost­sze węglo­wo­dany, takie jak mal­toza i dek­stryna. Są one nie­wy­kry­walne za pomocą jodyny - stąd brak barwy w pro­bówce, w której dzięki amy­la­zie zaszedł całk­o­wity roz­kład skrobi ziem­nia­cza­nej [3].


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