Catalasi

L'ossigeno è indispensabile alla vita di gran parte degli organismi viventi (ad eccezione di quelli anaerobi), ma è anche pericoloso per gli stessi organismi che lo respirano: infatti molti sottoprodotti del suo metabolismo (ad esempio l'acqua ossigenata) sono composti particolarmente reattivi, che se non vengono controllati possono danneggiare le molecole di cui sono fatti gli organismi.
Per questo, la maggior parte degli organismi aerobi (e anche alcuni organismi anaerobi che si sono adattati a vivere anche in presenza di ossigeno) possiedono enzimi che li proteggono da questi effetti collaterali, dei quali uno dei più importanti è la catalasi.
La catalasi è un enzima, cioè una proteina che funziona da catalizzatore: accelera la reazione di decomposizione dell'acqua ossigenata in ossigeno e acqua.
Data la sua importanza, la catalasi è presente in gran parte degli organismi, anche se in concentrazioni diverse da organismo ad organismo e da tessuto a tessuto all'interno di uno stesso organismo.
In questa esperienza andremo a dimostrare la presenza e il funzionamento della catalasi nei diversi organismi.

Durata: 2 ore

Scopo:

In questa esperienza si cercherà di dimostrare:

• Il funzionamento di un catalizzatore
• La dipendenza della velocità di reazione dalla concentrazione dei reagenti
• L'efficacia della catalasi come catalizzatore
• La presenza della catalasi in diversi organismi, in diverse quantità
• La presenza della catalasi in diversi tessuti in diverse quantità
• La dipendenza della velocità di reazione dalla superficie di contatto tra i reagenti e i tessuti contenenti l'enzima
• L'inattivazione dell'enzima da parte del calore

Teoria:

La velocità di una reazione dipende, generalmente, dalle condizioni di reazione (pressione e temperatura) e dalla concentrazione dei reagenti (almeno quelli coinvolti nello stadio più lento della reazione, se questa avviene in più stadi).

Un catalizzatore è una sostanza che accelera una reazione, senza modificarne l'equilibrio e senza essere trasformato.

I catalizzatori possono essere inorganici o organici, e tra i catalizzatori organici ci sono gli enzimi, cioè proteine specializzate nel catalizzare una particolare reazione.

La quantità di catalizzatore non influenza, quindi, l'equilibrio della reazione, ma piuttosto la velocità (maggior quantità di catalizzatore porta ad una maggior velocità di reazione).

La reazione in esame è la decomposizione dell'acqua ossigenata in acqua e ossigeno:

H₂O₂ → H₂O + O₂

Questa reazione avviene spontaneamente in condizioni standard, ma avverrebbe con tempi troppo lunghi per essere osservata. Alcuni catalizzatori, però sono in grado di renderla più veloce.

Un catalizzatore inorganico per questa reazione è il biossido di manganese (MnO₂), mentre un catalizzatore organico è l'enzima catalasi, presente nella maggior parte degli organismi aerobi e in alcuni organismi anaerobi.

Catalizzatore inorganico

Materiale:

• Acqua ossigenata 10 volumi (3%)
• Crema di acqua ossigenata 30 volumi (9%)
• Biossido di manganese (MnO₂) in polvere - nocivo per inalazione e ingestione

Strumenti:

• 2 Becher
• Bacchetta di vetro
• Spatola

Procedimento:

1. Aggiungere circa 30 mL di acqua ossigenata a 10 volumi nel primo becher, e una punta di spatola di biossido di manganese. Agitare con la bacchetta di vetro.
2. Ripetere nel secondo becher con la crema di acqua ossigenata a 30 volumi

Risultato:

Nel primo becher si sviluppa una notevole effervescenza, e un leggero calore.

Nel secondo becher si forma una schiuma voluminosa, tanto che potrebbe rovesciarsi fuori dal becher, e il calore sviluppato è più intenso.

Catalizzatore organico

Materiale:

• Acqua ossigenata 10 volumi (3%)
• Lievito di birra
• Patata
• Cuore di pollo
• Fegato di pollo

Strumenti:

• varie provette e portaprovette
• tagliere
• coltello
• pinzette
• bacchetta di vetro

Procedimento:

1. Tagliare a pezzi di dimensioni simili la patata e il cuore e il fegato di pollo, in modo che entrino nelle provette
2. Tagliare a pezzi molto fini una parte di patata
3. Sbriciolare il lievito
4. Inserire in cinque provette, rispettivamente: il lievito, la patata sminuzzata, la patata a pezzi grandi, il cuore e il fegato di pollo. Usare la bacchetta di vetro per spingere in fondo i pezzi se si attaccano alle pareti
5. Aggiungere ad ogni provetta circa 2 mL di acqua ossigenata. Osservare cosa accade.
6. In tre becher con acqua distillata, bollire su piastra riscaldante rispettivamente pezzetti di patata, cuore e fegato di pollo, per alcuni minuti.
7. Ripetere i punti 4 e 5 con i pezzi bolliti.

Risultato:

• Il fegato sviluppa una notevole effervescenza
• Il lievito sviluppa una notevole effervescenza, di solito appena minore di quella del fegato
• La patata sminuzzata sviluppa più effervescenza della patata a pezzi grandi
• Il cuore sviluppa effervescenza, ma in misura minore rispetto al fegato

Inattivazione da parte del calore

Materiale:

• Acqua ossigenata 10 volumi (3%)
• Patata
• Cuore di pollo
• Fegato di pollo

Strumenti:

• vari becher
• varie provette e portaprovette
• tagliere
• coltello
• pinzette
• bacchetta di vetro
• piastra riscaldante

Procedimento:

1. Tagliare a pezzi di dimensioni simili la patata e il cuore e il fegato di pollo, in modo che entrino nelle provette
2. In tre becher con acqua distillata, bollire su piastra riscaldante rispettivamente i pezzetti di patata, cuore e fegato di pollo, per alcuni minuti.
3. Continuare come nella parte precedente dell'esperimento, mettendo i pezzi bolliti in provette con l'acqua ossigenata.

Risultato:

I campioni bolliti non dovrebbero sviluppare effervescenza. Eventuali rare bolle sono dovute ad aria intrappolata nelle cavità, o vapore acqueo.

Riferimenti:

• Aldo Zullini, Antonella Sparvoli, Francesca Sparvoli. Corso di biologia - Livello avanzato. Atlas, 2011, p. 368.
• Biological Sciences Curriculum Study. BSCS Verde, 1, p. 100.