Aufgabe Vorschlag C - Aufgabe 2 (2.1 - 2.3) · Abitur Hessen Biologietechnik LK 2022
Thema: Enzyme: Wirkungsweise, Einflussfaktoren und Regulation · Aus der Prüfung LK (2022)
Aufgabenstellung
Wasserstoffperoxid () ist ein starkes Zellgift. Im Körper wird es schnell abgebaut, wenn es bei Stoffwechselprozessen entsteht.
In Material 5 werden drei Experimente zur Zersetzung von Wasserstoffperoxid beschrieben.
Material 5
Versuche mit Wasserstoffperoxid
In Vorratsbehältern kann man eine wässrige Lösung von Wasserstoffperoxid bei Raumtemperatur monatelang aufbewahren.
Erhitzt man eine Wasserstoffperoxidlösung, so zerfällt in Sauerstoff und Wasser; dabei wird Energie freigesetzt. Die Reaktionsgleichung lautet: .
Dieselbe Reaktion läuft auch bei Raumtemperatur ab, wenn man zur Wasserstoffperoxidlösung eine Messerspitze Braunstein () zugibt. Braunstein liegt nach der Reaktion unverändert vor.
Übergießt man zerkleinertes Lebergewebe (Katalasepräparat) bei Raumtemperatur mit Wasserstoffperoxidlösung, so zerfällt das Wasserstoffperoxid unter starkem Aufschäumen.
Material 6
Katalaseaktivität in Abhängigkeit von der -Konzentration
pro Reaktionslösung · -Entwicklung in
1 · 3,1
2 · 4,9
3 · 6,0
4 · 6,8
5 · 7,3
6 · 7,8
7 · 8,1
8 · 8,2
9 · 8,2
geändert nach: Andrea Becker et. al.: Natura Biologie für Gymnasien, Stuttgart 2012, S. 63.
Material 7
-Werte zweier Enzyme
geändert nach: https://www.chids.de/dachs/wiss_hausarbeiten/BiochemieBiotechnologie_Weide.pdf (abgerufen am 20.09.2021).
2.1
Deuten Sie die Ergebnisse der Versuche (Material 5) und skizzieren Sie Energiediagramme für alle drei Reaktionen.
[12 BE]
2.2
Alle drei Versuchsansätze werden mit einer mit Bleinitrat versetzten Wasserstoffperoxidlösung durchgeführt.
Zeigen Sie die zu erwartenden Versuchsergebnisse auf und begründen Sie diese.
[6 BE]
2.3
Auch Kartoffeln enthalten Katalase. Tropft man auf eine angeschnittene rohe Kartoffel Wasserstoffperoxid, so bilden sich auf der Oberfläche Bläschen, führt man den Versuch mit einer gekochten Kartoffel durch, passiert nichts.
2.3.1
Erklären Sie diese Reaktionen.
[2 BE]
2.3.2
Formulieren Sie das Versuchsergebnis, wenn man auf die rohe Kartoffel noch einmal Wasserstoffperoxid träufelt und begründen Sie ihre Aussage.
[4 BE]
Lösung
Nach den offiziellen Korrekturhinweisen
2.1 Deuten Sie die Ergebnisse der Versuche (Material 5)
Lösung: Wasserstoffperoxid ist eine Verbindung, die dazu neigt in Wasser und Sauerstoff zu zerfallen. Der Zerfall ist zwar eine exotherme/exergonische Reaktion, jedoch setzt er ohne Zufuhr von Aktivierungsenergie nicht ein bzw. ist sehr langsam („in Wasser gelöst monatelang haltbar“). Wird die Wasserstoffperoxidlösung erhitzt beschleunigt dies die Reaktion: Die zugeführte Wärme stellt die nötige Aktivierungsenergie zur Verfügung. Braunstein (MnO2) entfaltet die gleiche Wirkung wie das Katalasepräparat aus der Leber. Braunstein ist ein Katalysator dieser Reaktion; wird er zugegeben, so beschleunigt sich die Sauerstoffentwicklung erheblich, weil die benötigte Aktivierungsenergie herabgesetzt wird. Lebende Zellen enthalten ein für diese Reaktion spezifisches Enzym, die Katalase. Unter der Wirkung dieses Enzyms läuft der H2O2-Zerfall äußerst schnell ab.
2.1 Skizzieren Sie Energiediagramme für alle drei Reaktionen
Lösung: Energiediagramm mit Eduktniveau (Wasserstoffperoxid) und Produktniveau (Wasser und Sauerstoff) für eine exotherme/exergonische Reaktion. Der unkatalysierte Weg (bzw. durch Erhitzen überwundene Weg) zeigt einen hohen Energieberg (hohe Aktivierungsenergie). Die Kurven mit Braunstein und mit Katalase zeigen jeweils einen deutlich herabgesetzten Energieberg (Katalysatorwirkung senkt die Aktivierungsenergie; das Niveau von Edukten und Produkten bleibt dabei unverändert).
2.2 Alle drei Versuchsansätze werden mit einer mit Bleinitrat versetzten Wasserstoffperoxidlösung durchgeführt. Zeigen Sie die zu erwartenden Versuchsergebnisse auf und begründen Sie diese.
Lösung: Aufzeigen: Die Versuchsansätze 1 und 2 verlaufen auch mit der Bleinitratlösung unverändert. Beim dritten Versuch wird das Wasserstoffperoxid nicht zerfallen. Begründen: Bleinitrat ist ein Schwermetall und somit ein Enzymgift. Es denaturiert das Enzym Katalase, zerstört also dessen Tertiärstruktur. Die Denaturierung ist in der Regel irreversibel.
2.3.1 Erklären Sie diese Reaktionen.
Lösung: Die Bläschen auf der rohen Kartoffel deuten auf die Bildung von Sauerstoff hin. Kartoffeln enthalten das Enzym Katalase, welches die Zersetzung von Wasserstoffperoxid zu Wasser und Sauerstoff katalysiert. Da das Enzym bei der gekochten Kartoffel durch die Hitze zerstört (denaturiert) wurde, zeigt sich bei diesem Versuch keine Reaktion.
2.3.2 Formulieren Sie das Versuchsergebnis, wenn man auf die rohe Kartoffel noch einmal Wasserstoffperoxid träufelt und begründen Sie ihre Aussage.
Lösung: Formulieren: Es bilden sich erneut Bläschen auf der Oberfläche der rohen Kartoffel. Begründen: Katalysatoren werden bei einer Reaktion nicht verbraucht. Da es sich bei dem Enzym Katalase um einen Katalysator handelt, geht dieses aus der ersten Reaktion unverbraucht hervor und kann bei erneuter Zugabe von Wasserstoffperoxid wieder zum Einsatz kommen.
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