Enzymer i vaskemidler
SRO i biologi og matematik
Enzymer i vaskemidler | SRO i biologi og matematik
side 2 af 21
English Abstract
This paper examines enzyme kinetics, especially enzyme activity and how it depends on tempera-
ture and pH value.
In the first part of the paper that is done by using theory and touching on enzymes’ general proper-
ties. Subsequently the theory is proven in an experiment with the enzyme catalase, in which the
constituted oxygen per second is seen as the enzyme activity. The two factors, temperature and pH
value, are changed independently of each other to find out how they influence that activity. After-
wards the results are processed mathematically and discussed by comparing with the theory. To put
in into a biological context the results of the theory and the experiment are used to describe en-
zymes’ function in detergents.
To sum up the results of the study, it shows that there is a tremendous connection between enzyme
activity and temperature as well as pH value, but in different ways: While a pH value far away from
an enzyme’s optimum only makes the enzyme incompetent for a while, denaturation as a conse-
quence of too high degrees is an irreversible process, which means that it puts the enzyme out of
action forever. Consequently these observations are very important to the detergent industry, and
while the industry can take advantage of some properties, genetic engineering is needed to avoid the
problems of the enzyme activity’s dependence on temperature and pH value.
Enzymer i vaskemidler | SRO i biologi og matematik
side 3 af 21
Indholdsfortegnelse
1. Indledning og problemformulering ........................................................................................................... 4
2. Enzymer – praktiske proteiner .................................................................................................................. 5
2.1 Hvad er enzymer? ................................................................................................................................... 5
2.2 Hvordan de virker ................................................................................................................................... 5
2.2.1 Kemiske reaktioner og energibarrieren ............................................................................................ 5
2.2.2 Enzymernes evne til at sænke energibarrieren ................................................................................. 6
2.3 Indflydelsesrige faktorer ......................................................................................................................... 6
2.3.1 Temperatur ....................................................................................................................................... 6
2.3.2 pH .................................................................................................................................................... 7
3. Forsøg med enzymet katalase ..................................................................................................................... 8
3.1 Formål og hypotese ................................................................................................................................. 8
3.2 Fremgangsmåde ...................................................................................................................................... 8
3.3 Resultater................................................................................................................................................. 9
3.4 Behandling af resultaterne ....................................................................................................................... 9
3.4.1 Fratagne resultater ............................................................................................................................ 9
3.4.2 Oxygenvolumen som funktion af tiden ............................................................................................ 9
3.4.3 Initialhastigheden som udtryk for enzymaktiviteten ........................................................................ 9
3.4.4 Initialhastighed som funktion af pH-værdien ................................................................................ 10
3.4.5 Initialhastighed som funktion af temperaturen .............................................................................. 10
3.5 Fejlkilder ............................................................................................................................................... 11
3.6 Vurdering af resultaterne ....................................................................................................................... 11
3.6.1 Initialhastighed som funktion af pH-værdi .................................................................................... 11
3.6.2 Initialhastighed som funktion af temperatur .................................................................................. 12
4. Perspektivering til vaskemidler ................................................................................................................ 13
4.1 Enzymer i vaskemiddelindustrien ......................................................................................................... 13
4.2 Vigtige vaskemiddelenzymer: Proteaser, amylaser, lipaser og cellulaser ............................................. 13
4.2.1 Proteaser......................................................................................................................................... 13
4.2.2 Lipaser ........................................................................................................................................... 13
4.2.3 Amylaser ........................................................................................................................................ 14
4.2.4 Cellulaser ....................................................................................................................................... 14
4.3 Enzymaktivitetens betydning for vaskemidler ...................................................................................... 14
4.3.1 Høj enzymaktiviteten ved lavere vasktemperaturer ....................................................................... 14
4.3.2 Enzymers pH-optimum omkring 7 vs. de alkaliske opvaskemidler .............................................. 14
4.3.3 Tiltag for at optimere enzymaktiviteten ......................................................................................... 15
5. Konklusion ................................................................................................................................................. 16
6. Litteraturliste ............................................................................................................................................. 17
6.1 Bøger ..................................................................................................................................................... 17
6.2 Artikler .................................................................................................................................................. 17
6.3 Hjemmesider ......................................................................................................................................... 17
6.4 Lånte figurer .......................................................................................................................................... 17
7. Bilag ............................................................................................................................................................ 18
7.1 Tabeller – de rå data .............................................................................................................................. 18
7.1.1 Oxygenvolumen per tid ved forskellige pH-værdier ..................................................................... 18
7.1.2 Oxygenvolumen per tid ved forskellige temperaturer ................................................................... 18
7.2 Grafer .................................................................................................................................................... 19
7.2.1 Oxygenvolumen per tid ved forskellige pH-værdier ..................................................................... 19
7.2.2 Oxygenvolumen per tid ved forskellige temperaturer ................................................................... 20
7.2.3 Initialhastighed som funktion af pH-værdi .................................................................................... 20
7.2.4 Initialhastighed som funktion af temperatur .................................................................................. 21
Enzymer i vaskemidler | SRO i biologi og matematik
side 4 af 21
1. Indledning og problemformulering
Med deres katalyseevne er enzymer blandt de vigtigste bestanddele af levende celler. Men ikke kun
i naturlig sammenhæng er enzymerne velkendte. Også vaskemiddelindustrien har siden 1960’erne
for alvor forstået at sætte pris på enzymer, fordi de har vist sig at kunne nedbryde forskellige stoffer
(ligesom i fx fordøjelsessystemet), hvilket tensiderne i vaskemidler ikke er i stand til.
Men enzymer virker ikke lige godt under forskellige omstændigheder, og det må
vaskemiddelproducenter vel også være opmærksomme på, så at nytten af de små, komplekse stoffer
ikke – bogstaveligt talt – går i vasken.
Denne problematik har været grundlaget for min problemformulering:
Hvordan drager man i vaskemidler nytte af enzymers egenskaber, og på hvilken måde tager
man i den sammenhæng hensyn til enzymaktivitetens afhængighed af temperatur og pH?
▪ Jeg vil først redegøre for enzymer generelt, hvordan de virker, og hvad enzymaktiviteten
påvirkes af.
▪ Dernæst vil jeg gennem et forsøg med enzymet katalase undersøge enzymkinetikken fra en
mere induktiv vinkel, og vil, uden dog at glemme teorien, behandle resultaterne matematisk.
▪ Jeg vil herefter kort vurdere forsøgets udfald.
▪ Til sidst vil jeg perspektivere til enzymers funktion i vaskemidler og se på, hvilken
betydning enzymaktiviteten har i forbindelse hermed.
Enzymer i vaskemidler | SRO i biologi og matematik
side 5 af 21
2. Enzymer – praktiske proteiner
2.1 Hvad er enzymer?
Enzymer er en bestemt type proteiner, nemlig katalysatorer, som forøger hastigheden af kemiske
reaktioner. Enzymer er til stede i enhver levende celle, og det er der en god grund til, for selvom
kemiske reaktioner godt ville kunne finde sted uden enzymer, så ville det i praksis foregå alt for
langsomt til, at cellen ville kunne leve ret længe.
Udover at bestå af aminosyrer (som ethvert protein), indeholder de fleste enzymer også en mindre
ikke-proteindel, som kaldes en cofaktor, og som også er nødvendig for at enzymet kan fungere.
Desuden er der en meget lille del af proteinandelen, som kaldes enzymets aktive center. Dette består
oftest kun af 6-12 aminosyrer
1
, men alligevel har det en afgørende betydning for enzymet: Det er
nemlig her, substratet (dvs. det eller de molekyler, som enzymet skal ændre på) binder sig til
enzymet, og hvor den egentlige katalyse finder sted ved at fremme eller bryde bindinger i eller
mellem substrat(erne). Processen kan illustreres således:
EBAABEEAB ++⎯→⎯→+
Substratet (AB) sætter sig på enzymets aktive center, hvorefter de sidder samlet i et såkaldt aktivt
kompleks. Substratet spaltes, og tilbage er produkterne (A og B) og det frie enzym. Idet at
reaktionspilene vender begge veje, kan reaktionen også fungere omvendt (flere substrater som
bliver til ét produkt).
2
Der findes også få andre kemiske katalysatorer, som ikke er enzymer, men i modsætning til disse er
enzymer meget specifikke, dvs. at de normalt kun katalyserer én proces, og at det involverede
substrat, skal være et helt bestemt. Denne specificitet hænger i stor grad sammen med det aktive
centers rumlige struktur, som substratet skal passe meget nøje ind i, næsten som en nøgle i et
nøglehul, sådan som Emil Fischer beskrev de i 1894. Denne ”nøgle og nøglehuls-model” har dog
været diskuteret og kan nu om dage måske anses som ’forsimplet’. ”Induced fit”-hypotesen, som
påstår, at en det aktive center kan ændre sin form en smule, når de kommer i kontakt med substratet,
er mere anerkendt.
3
2.2 Hvordan de virker
2.2.1 Kemiske reaktioner og energibarrieren
For at forså princippet bag katalysen, må man først kigge på, hvordan kemiske reaktioner forløber
uden enzymer. Ved exergone dvs. spontane reaktioner vil der blive frigivet energi (fx i form af
varme), og det betyder, at der sker en ændring i mængden af fri energi i reaktanterne til den i
produkterne, også selvom den samlede energimængde i produkterne of omgivelserne med al respekt
for termodynamikkens 1. hovedsætning selvfølgelig forbliver ens. Denne ændring i fri energi
betegnes ∆G, og kan som ligning udtrykkes således:
1
Hjemmeside: Biotechacademy, Enzymers specificitet
2
Bog: Biologiens Abc. Biokemi, s. 33-34
3
Hjemmeside: Wikipedia EN, Enzymes, Specificity
Enzymer i vaskemidler | SRO i biologi og matematik
side 6 af 21
terreakprodukter
GGG
tan
−=
Men på trods af, at en reaktion er spontan (dvs. ∆G < 0), betyder det i de fleste tilfælde alligevel
ikke, at den vil forekomme uden ekstra energi udefra. Der er nemlig en såkaldt energibarriere (se
figur 1), som er højere end den fri energi, der findes i reaktanterne – og for at komme op på et
energiniveau på højde med energibarrieren (så at den endelige reaktion kan finde sted) kræver det
aktiveringsenergi (E
a
). Denne energi kan godt være i form af varme – fx når man sætter ild til papir.
Papiret vil ikke bryde ud i flammer af sig selv, men når man tilfører varmeenergi, passeres
energibarrieren, og en reaktion (forbrænding) kan finde sted. Mange steder (fx i kroppen) er det dog
ikke muligt at komme op på så høje temperaturer – cellerne ville simpelthen dø inden.
4
2.2.2 Enzymernes evne til at sænke energibarrieren
I stedet for at skulle tilsætte aktiveringsenergi gennem varme,
kan enzymerne kan på forskellig vis sænke energibarrieren, så
den nødvendige aktiveringsenergi E
a
ikke behøver at være så
høj (se figur 1) – og at der således er mange flere reaktioner,
der finder sted. Og det smarte ved dette er, at enzymerne netop
virker under milde omstændigheder: fx ved kropstemperaturer
og i omgivelser med en pH-værdi ikke så langt fra neutral.
Virkningsmåden er simpel. Enzymet gør substratets bindinger
ustabile, så det lettere spaltes eller danner nye bindinger. Det
sker på tre overordnede måder:
▪ Enzymet kan ved hjælp af det aktive centers rumlige struktur orientere to eller flere
substratet rigtigt, så de sidder præcis i det rigtige forhold til hinanden til at indgå i en
reaktion.
▪ Enzymets aktive center kan også udveksle protoner, elektroner eller andre ladede partikler
med substratet.
▪ Enzymet kan ændre en smule på sin form (induced fit) og vride eller hive i substratet.
5
Det er værd at bemærke, at enzymerne ikke deltager i den kemiske reaktion; de katalyserer den kun,
og det betyder, at de heller ikke bliver brugt op. Efter at have katalyseret en reaktion, er enzymet i
stand til at gøre det samme igen og igen. I grunden kan de genbruges utallige gange.
2.3 Indflydelsesrige faktorer
På trods af, at enzymer egentlig aldrig bliver brugt op, er der alligevel en række faktorer, som i en
periode eller for altid kan sætte enzymerne ude af stand til at fungere, eller som bedre sagt har
indflydelse på enzymernes aktivitet – både i den ene og den anden retning.
2.3.1 Temperatur
Jo højere temperatur, jo hurtigere bevæger molekyler sig, og jo flere substrater rammer de rigtige
enzymer i løbet af et bestemt tidsinterval. Det er baggrunden for, at enzymers aktivitet forøges, jo
4
Bog: Biokemi og molekylærbiologi, s. 118-119
5
Hjemmeside: Biotechacademy, Enzymers virkemåde
Figur 1.
Enzymer i vaskemidler | SRO i biologi og matematik
side 7 af 21
højere temperaturen er (se figur 2). Som det dog også kan ses af figuren, falder enzymaktiviteten
ved en bestemt temperatur drastisk. Det hænger sammen med, at
enzymerne som tidligere nævnt er proteiner (i hvert fald til
størstedelen) og således består af en lang kæde aminosyrer, som sidder
på en helt speciel måde. Når enzymet udsættes for for høj temperatur,
denaturerer det: Aminosyrerne vikles ud, og det aktive center
ødelægges.
Processen er irreversibel i næsten alle tilfælde, fordi intet vil kunne
give enzymet dets oprindelige form og dermed også dets specifikke
aktive center igen, og det betyder, at når enzymet først er denatureret,
vil det aldrig mere være funktionsdygtigt.
6
Hvor høj en temperatur et enzym kan holde til, varierer fra enzym til enzym, og det samme gør
optimum (hvor enzymaktiviteten er højest), men det vil ofte ligge mellem 30 °C og 60 °C – og alle
enzymer er denatureret ved en temperatur på 100 °C.
2.3.2 pH
pH-værdien i enzymets omgivelser har ligeledes betydning for
enzymaktiviteten. Som man kan se det på figur 3, kan dette grafisk
fremstilles som en klokkeformet kurve med optimum i midten. Det
forklares ved, at enzymernes aminosyrer er positivt eller negativt
ladede afhængt af pH-værdien, og enzymets rumlige struktur (også det
aktive center) ændres således, når enzymet er i omgivelser med højere
eller lavere pH-værdier end netop dets optimum-pH. Normalt er
enzymet dog i stand til at fungere igen, når det udsættes for dets pH-
værdier tæt på dets optimum.
7
Også optimum afhænger meget af det specifikke enzym, og det kan være alt fra pH 2 til pH 12, men
ofte ligger den ikke så langt fra pH 7.
8
6
Bog: Biokemi og molekylærbiologi, s. 125-126
7
Bog: Biologiens Abc. Biokemi, s. 35
8
Bog: Enzymer – hvor bruges de, s. 5
Figur 3.
Figur 2.
Enzymer i vaskemidler | SRO i biologi og matematik
side 8 af 21
3. Forsøg med enzymet katalase
3.1 Formål og hypotese
Hensigten med forsøget bestod i at vise, hvordan enzymaktivitet afhænger af forskellige faktorer.
Ud fra teorien antog vi, at enzymaktiviteten som funktion af temperaturen ville være nogenlunde
jævnt stigende indtil én bestemt temperatur (optimum) og derefter falde drastisk. Enzymaktiviteten
som funktion af pH-værdien forventede vi ville stige gradvist mere og mere indtil optimum pH-
værdien, den maksimale enzymaktivitet, og derefter falde – først meget og derefter mindre og
mindre.
3.2 Fremgangsmåde
Ved at blande hydrogenperoxid og enzymet katalase, der katalyserer spaltningen af
hydrogenperoxid til oxygen og vand, ville vi vha. mængden af det dannede oxygen afgøre katalases
aktivitet ved henholdsvis forskellige temperaturer og pH-værdier. For at kunne måle, hvor meget
oxygen der blev dannet, brugte vi en blanding af 1-2 mL katalase (produktnavnet er Catazyme) og 1
mL skumbad i 100 mL destilleret vand. Dermed kunne vi se det dannede skums volumen per tid
som et udtryk for reaktionshastigheden.
For at kunne se på katalases aktivitet i forhold til forskellige faktorer (i vores tilfælde temperatur og
pH-værdi), bestod forsøget egentlig af mange små forsøg, hvor vi hver gang ændrede på
temperaturen eller pH-værdien.
1) For hver faktorændring (fx 40 °C) udtog vi omkring 30 mL af
henholdsvis enzymopløsningen og substratopløsningen og
kom det i hver deres 100 mL bægerglas.
2) Med to sprøjter sugede vi 5 mL af henholdsvis enzym- og
substratopløsningen op og anbragte de fyldte sprøjter på to
slangestykker fastsat på en 50 mL burette (se figur 4).
3) Vi sprøjtede samtidigt både begge opløsninger ind i buretten,
og startede på samme tid stopuret – så at dette var tiden 0.
4) Mens der dannedes skum og ’skumsøjlen’ voksede, aflæste og
noterede vi søjlens højde for hvert 5. sekund efter tiden 0.
Herefter skyllede vi buretten, slangestykkerne og sprøjterne, og var således klar til endnu et forsøg
– nu med en faktorændring. Vi var dog opmærksomme på at bruge den samme sprøjte til samme
type opløsning, da de jo ikke var renset nok til nødvendigvis at være fuldstændig rene.
Når pH-værdien af enzymopløsningen skulle ændres, tilsatte vi 10 mL af en bestemt
pufferopløsning til 10 mL enzymopløsning. Puffere er opløsninger, som ikke ændrer sin pH-værdi
synderligt, selvom der tilsættes en syre eller base, hvilket vil sige, at ved at tilsætte en puffer til en
opløsning, vil opløsningen næsten uanset tidligere pH-værdi nu have nogenlunde den, som pufferen
Figur 4.
Enzymer i vaskemidler | SRO i biologi og matematik
side 9 af 21
havde, før den blev tilsat. Således kunne vi være temmelig sikre på, at enzymopløsningen havde
netop den pH-værdi, som vi ønskede at måle enzymets aktivitet ved.
For at ændre temperaturen, satte vi enzym- og substratopløsningerne i et vandbad, som enten var
opvarmet (med halvvarmt vand fra en elkedel – dog ikke kogende!) eller afkølet (med isterninger).
3.3 Resultater
Buretten i forsøget vendte ’forkert’, dvs. at når skumsøjlen voksede, blev det aflæste
volumen mindre og mindre (se figur 5). Det betød, at vi blev nødt til først at omregne de
noterede tal til det rigtige rumfang, før vi kunne bearbejde resultaterne. Eftersom at
opløsningen i buretten til tiden 0 var omtrent 4 cm under stregen for 50 mL, blev
udregningen af volumen følgende:
talaflæstV −+= )450(
Resultaterne, hvor denne beregning allerede er udført, kan ses i bilag 7.1.1 og 7.1.2.
3.4 Behandling af resultaterne
3.4.1 Fratagne resultater
Ved temperaturforsøget med gennemsnitstemperaturen 24,6 °C kom vi desværre til ikke at tømme
sprøjterne samtidigt, og resultatet var, at omdannelsen af oxygen skete med en så lav hastighed, at
jeg besluttede mig for ikke at bruge dette resultat i beregningerne. Det er dog stadig medtaget i
bilaget sammen med de andre resultater for en god ordens skyld.
3.4.2 Oxygenvolumen som funktion af tiden
For at kunne udlede noget af resultaterne, indsatte jeg tallene i et koordinatsystem (med
programmet Graph), altså oxygenvolumen som funktion af tiden (mL O
2
/sek) for hver forskellig
temperatur og pH-værdi. Herefter forsøgte jeg vha. Graph at finde passende regressionslinjer til
hver temperatur- og pH-værdimåling, som kunne tyde på en sammenhæng mellem den observerede
volumen og tiden. Det viste sig (se bilag 7.2.1 og 7.2.2), at de regressionslinjer, hvis R
2
-værdi var
meget tæt – og tættest – på 1 (altså sandsynlighed for at sammenhængen er netop en som denne
regressionslinje), alle var polynomier og således grafer til 2.-gradsfunktioner.
3.4.3 Initialhastigheden som udtryk for enzymaktiviteten
Reelt var der nu to mulige måder at finde enzymaktiviteten på. Jeg valgte at finde tangenten til hver
graf til tiden 0, og så bruge tangentens hældningskoefficient (matematisk set a) som
initialhastighed. Havde jeg differentieret forskriften til den bedste regressionslinje, ville konstanten
(b) også have været initialhastigheden (da at alle led med x ville forsvinde, fordi x=0).
Man kunne fejlagtigt tro, at arealet under kurven, ville være et udtryk for enzymets aktivitet, men
dette kan afvises med følgende forklaring: Selvom temperaturen ikke er så høj, vil der teoretisk set
ske lige så mange reaktioner – det vil bare tage længere tid: Molekylerne bevæger sig langsommere
i kolde omgivelser, og der går derfor længere, inden et enzym og substrat støder sammen. Er pH
forholdsvis lav (eller for den sags skyld høj), vil der godt nok være færre enzymer, der virker
optimalt, men hvis bare der går nok tid, vil alle substrater også her være indgået i en reaktion.
Figur 5.
Enzymer i vaskemidler | SRO i biologi og matematik
side 10 af 21
Derfor ser man i stedet starthastigheden (initialhastigheden) som et udtryk for enzymaktivitet, da
differentialkvotienten jo netop fortæller, hvor meget der ville blive omdannet pr. sekund, hvis bare
der ville blive tilsat nyt substrat hele tiden.
Efter at have fundet starthastighederne, indsatte jeg disse ind i to nye koordinatsystemer som
funktion af henholdsvis temperatur og pH-værdi og forsøgte at finde passende regressionslinjer.
3.4.4 Initialhastighed som funktion af pH-værdien
I forbindelse med pH prøvede jeg ud fra hypotesen (baseret på teorien) at finde en regressionslinje,
som var symmetrisk om maksimumsstedet, sådan som grafen for enzymaktiviteten burde se ud. Én
mulighed var her polynomisk vækst, og selvom R
2
-værdien ved en sådan regression kun var på
omkring de 0,32, så var det dog den højest opnåelige.
Eftersom at jeg havde så få punkter (fire), var det ikke muligt at ’dele dem op’ og altså lave to
forskellige regressionslinjer (fx potensvækst, som ville minde mere om de professionelle grafer end
polynomisk) – at lave regression på to punkter vil jo altid give et R
2
på 1, og det vil altså ikke kunne
fortælle noget om sandsynligheden for, at punkterne virkelig hænger sammen sådan.
Regressionslinjen for initialhastigheden som funktion af pH-værdien blev altså polynomisk med
forskriften
0,0,4492081x+19x-0,0355074f(x)
2
=
. Grafen findes i bilag 7.2.3.
3.4.5 Initialhastighed som funktion af temperaturen
Temperaturpunkterne var det noget sværere at lave regression på, idet grafen ifølge teorien og
hypotesen burde bestå af to forskellige funktioner
9
– den ene indtil toppunktet (optimum) er nået;
den anden derefter. Først forsøgte jeg netop at gøre det på denne måde – at dele punkterne op:
Punkterne (5,95;1,4969), (9,95;153514) og (23,35;2,12531) kunne godt minde om den første del af
grafen; om den gradvise stigning mod optimum. Punkterne med højere x-værdier adskilte sig dog
meget fra de ’første’ tre, idet de havde meget lavere 2. koordinater.
Regressionslinjen på de 3 første punkter passede nogenlunde til hypotesen, både ved lineær og ved
eksponentiel regression, og R
2
var på et meget acceptabelt niveau (0,9724 for lineær og 0,9819 for
eksponentiel). Den anden del af grafen viste sig dog at være meget sværere at lave en blot til dels
forsvarlig regressionslinje til. Heller ikke ved at fjerne visse punkter (som evt. var opstået pga.
fejlkilder) var det muligt at lave regressionslinjer, der passede bare en lille smule på det forventede
udseende af grafen og samtidig også have en acceptabel R
2
-værdi.
I stedet for en matematisk model så jeg mig nødsaget til at betragte grafen lidt mere selvstændigt
(uden regression). Det viste sig, at hvis jeg fjernede to punkter ((28,85;0,748581) og
(31,2;0,699711)), kunne jeg tegne min egen tendenslinje (se bilag 7.2.4), der godt nok ikke kunne
baseres på matematiske formler, men som får vores resultater til faktisk at passe rigtig godt på
hypotesen – hvis bare en eller flere fejlkilder har været årsagen til de to (evt. tre, da (34;0,745158)
måske også kan have været et ’forkert’ punkt, se afsnittet Fejlkilder) misvisende punkter.
9
Hjemmeside: Aarhus akademi, Enzymer og katalysatorer
Enzymer i vaskemidler | SRO i biologi og matematik
side 11 af 21
3.5 Fejlkilder
Som det viste sig i sidste afsnit, hvor jeg forsøgte at behandle resultaterne matematisk, må der have
været en del fejlkilder i vores forsøg – eller hypotesen må kunne forkastes. I det tilfælde at
sidstnævnte ville være sandt, skulle der argumenteres for, hvordan det kan være, at denne teori, som
er alment anerkendt, pludselig ikke passer mere. Da jeg vælger ikke at forkaste hypotesen i afsnittet
Vurdering af resultaterne, vil det nu være væsentlig at tage sig af førstnævnte; nemlig at finde de
fejl, vi kan have lavet i vores forsøg, og som har givet os (delvist) forkerte resultater.
Den fundamentale fejl i temperaturforsøget ligger uden tvivl i vores måde at opvarme og
efterfølgende nedkøle enzymopløsningen. Vi har uden tvivl mere end én gang ’genbrugt’ den
opvarmede enzymopløsning ved blot at nedkøle den igen. Det måtte vi selvfølgelig ikke have gjort,
idet vi jo fra teorien ved, at enzymer denaturerer, hvis temperaturen bliver blot en smule højere end
optimum, og at de ikke er i stand til at fungere igen, selvom de nedkøles. Ved således at nedkøle
den allerede opvarmede enzymopløsning, opnåede vi kun, at de få enzymer, som måske endnu ikke
var denaturerede, ikke kunne ’leve op til’ vores forventninger om enzymaktiviteten ved den
bestemte temperatur. Det kan meget vel være, at de initialhastigheder, vi observerede ved 28,85 °C,
31,2 °C og 34,0 °C af den grund passede så ringe til de forventede.
En anden fejlkilde må både være de lidt forskellige temperaturer, som enzymopløsningen og
substratopløsningen havde, men især også det, at de målte temperaturer nok ikke svarede præcis til
de temperaturer, opløsningerne havde, da vi endelig fik dem blandet – flere sekunder efter
målingen.
Endnu en mulig fejl, som jeg dog allerede tidligere har nævnt og delvist har taget hensyn til, er den
situation, hvor de to sprøjter ikke er blevet tømt samtidigt. I det ene allerede omtalte tilfælde var det
helt tydeligt at se, hvor store konsekvenser det havde: Enzymopløsningen kom næsten ikke i
kontakt med substratopløsningen, og reaktionerne foregik ekstremt langsomt. Man kan forestille
sig, hvor let det kan være ikke at trykke på sprøjterne præcis samtidigt og med samme vægt, og
variationer heraf kan som vist have stor indflydelse på den målte initialhastighed.
3.6 Vurdering af resultaterne
3.6.1 Initialhastighed som funktion af pH-værdi
I afsnittet Fejlkilder er der ikke blevet fundet virkelig betydningsfulde fejlkilder i forhold til
forsøget med forskellige pH-værdier. Alligevel var R
2
ved den bedst passende regressionslinje
(polynomisk) ikke særlig høj (0,32). Man kunne selvfølgelig vove at påstå, at der ingen
sammenhæng er mellem pH-værdi og initialhastighed, men noget tyder på, at den faktisk er der: Jeg
kiggede nemlig lidt nærmere på regressionen, og det viste sig, at hvis jeg satte to ’kunstige’ punkter
ind, fx (1,0) og (14,0), som var nogenlunde i overensstemmelse med hypotesen, blev R
2
meget
højere. På den måde er det sandsynligt, at vi med flere forskellige pH-værdi-forsøg end vores fire,
ville have opnået en meget større R
2
-værdi. Det retfærdiggør ikke den dårlige sammenhæng, men
det betyder i al fald, at det ville være forkert at forkaste hypotesen i forhold til pH-værdien.
Enzymer i vaskemidler | SRO i biologi og matematik
side 12 af 21
Omvendt, hvis jeg havde haft flere punkter, kunne jeg måske også have delt dem op og på den måde
(som foreslået i afsnit Behandling af resultaterne) have lavet to regressionslinjer, fx eksponentiale.
Disse kunne jo så godt vise sig at have endnu større R
2
-værdi, fordi de minder mere om teorikurven.
3.6.2 Initialhastighed som funktion af temperatur
Min selvtegnede graf hænger selvfølgelig meget godt sammen med det, man ville forvente, men den
er naturligvis også mere forsøgt at passe ind på teorien end den viser forsøgets udfald. Dog må man
være opmærksom på, at den overvældende fejlkilde, som helt sikkert er skyld i flere målingers
ukorrekthed, gør det næsten uforsvarligt at kommentere på en graf, som ville have været
fremkommet uden fjernelse af et par punkter.
Ud fra den så at sige eneste sandsynlige graf (min egen), skulle temperaturoptimum ligge omkring
30 °C, og det virker jo ikke så urealistisk igen. I den menneskelige krop må katalases optimum være
på de 37 °C (kropstemperatur), men da Catazyme sagtens kan have et andet optimum, er 30 °C ikke
usandsynligt. Ifølge teorien ligger det i hvert fald i intervallet for enzymers normale
temperaturoptimum.
Enzymer i vaskemidler | SRO i biologi og matematik
side 13 af 21
4. Perspektivering til vaskemidler
4.1 Enzymer i vaskemiddelindustrien
I starten af det 20. århundrede fik Dr. Otto Röhm en genial idé: Hvis kroppens fordøjelsessystem
brugte enzymer til at nedbryde mad bl.a. i form af proteiner, så måtte man da også kunne tilsætte
sådanne enzymer til vaskemidler, hvis opgave det nu engang var at fjerne snavs – deriblandt
proteinpletter såsom mælk, æg, sved og blod. Selvom Röhms forsøg på at føre dette ud i livet ikke
var særlig succesrige, fordi de enzymer, han brugte, har pH optimum lavere end de basiske
vaskemidler, forsatte man med at forske i emnet, og siden gennembruddet i 1960’erne har enzymer
været en vigtig bestanddel af vaskemidler.
10
Med tiden har man fundet andre enzymer, så man ikke kun kan få nedbrudt proteiner men også fedt
og stivelse, og så kan cellulase-enzymer endda gøre tøj blødere.
4.2 Vigtige vaskemiddelenzymer: Proteaser, amylaser, lipaser og cellulaser
4.2.1 Proteaser
Proteaser (også kaldet peptidaser) er enzymer, der forekommer naturligt især i mavesækken og
bugspytkirtlen, og som alle de fire vaskemidler katalyserer de hydrolyse, der spalter proteiner. Ved
hydrolyse reagerer et protein med vand (H
2
O), ved at vandet afgiver en H
+
-ion til den ene
fraspaltede del, mens hydroxid-ionen (OH
-
) forbliver på den anden del af proteinet.
11
Sammen med tensiderne i vaskemidlerne giver de nærmest en dobbelteffekt, da de så at sige ’tager
den første del’, og tensiderne fjerner resten. Det hænger sammen med, at en plet fra fx kakao ofte
vil sidde oven på andet snavs, og derfor hindre tensiderne i at fjerne dette. Idet at proteaserne
nedbryder kakaoresterne, kan tensiderne også gøre rent ’under pletten’.
I modsætning til de fleste enzymer er proteaser faktisk forholdsvis uspecifikke, og det er et problem
i flydende vaskemidler, som selvfølgelig til dels indeholder vand: Her kan proteaserne nemlig
komme til at nedbryde hinanden eller andre enzymer i vaskemidlet. En sådan autoproteolyse, som
det kaldes, prøver man at forhindre ved at tilføje såkaldte reversible proteaseinhibitorer til flydende
vaskemidler, altså molekyler der sætter enzymet ud af funktion i en periode, men som ved bestemte
påvirkninger (fx højere temperaturer) fjernes og gør enzymet katalysedygtigt igen.
12
4.2.2 Lipaser
Også lipaser er en vigtig del af vaskemidler, for ligesom de i tolvfingertarmen er i stand til at spalte
fedt (lipider) til fedtsyrer og glycerol, så kan de i vaskemaskinen nedbryde pletter fra fedt og olie.
Selvom denne effekt ikke altid er så stor som ønsket, er lipaserne ikke unødvendige: De har nemlig
også en evne til i nogen grad at forhindre en redeposition, dvs. at hydrofob (vandafvisende) snavs
fra et stykke tøj ikke sætter sig på andre tøjstykker, hvis vasketøjet er meget beskidt og tensiderne
’har travlt’.
10
Artikel: Enzymer til vaskemidler – fra bugspytkirtler til gensplejsede mikroorganismer, s. 25
11
Hjemmeside: Wikipedia DE, Hydrolyse
12
Artikel: Enzymer til vaskemidler – fra bugspytkirtler til gensplejsede mikroorganismer, s. 26-27
Enzymer i vaskemidler | SRO i biologi og matematik
side 14 af 21
4.2.3 Amylaser
Amylaser findes naturligt bl.a. i munden (i form af spytamylase) og i bugspytkirtlen, og deres
funktion er det at spalte stivelse. Selvom kartoffelpletter nok ikke er så hyppigt forekomne, så er
amylaser med tiden alligevel blevet en del af de fleste vaskemidler, eftersom at fx ketchup, sovse og
babymad oftere og oftere indeholder stivelse for få den efterspurgte konsistens. Også amylaser har
som lipaser en anti-redepositionseffekt.
13
4.2.4 Cellulaser
Mens proteaser, lipaser og amylaser er indeholdt i vaskemidler for at fjerne snavs, så er cellulaser
der for nærmest at ’bearbejde’ bomuldet – for at gøre det blødere og forhindre farvemathed.
Cellulaser nedbryder nemlig cellulose, som bomuld til størstedelen består af, og når tøjet efter
mange ganges vask har dannet såkaldte mikrofibriller, som giver det en ufin overflade, kan
cellulaserne fjerne disse. På den måde gøres stoffet både blødere og farveklarere, fordi det uden
mikrofibriller ikke reflekteres så kraftigt.
14
4.3 Enzymaktivitetens betydning for vaskemidler
Ligesom alle enzymer er også de fire her omtalte afhængige af både temperatur og pH, og det har
selvfølgelig stor betydning for vaskemidlerne, da især pH-værdien af disse normalt ligger over
enzymernes optimum.
4.3.1 Høj enzymaktiviteten ved lavere vasktemperaturer
Enzymers effekt til at virke godt under milde eller moderate betingelser er et plus til vaskemidlerne,
fordi man kan undgå at vaske ved så høje temperaturer, som det er nødvendigt ved vaskemidler
uden enzymer. Det giver både energibesparelser, og så skåner det tøjet.
Omvendt er det også vigtigt, at enzymerne i nogle tilfælde kan fungere ved højere temperaturer, fx
hvis der er tale om hvidvask. På varedeklarationen vil det angivne temperaturinterval således ikke
variere med mere end 30-40 °C – og det passer jo fint sammen med vores forsøg, der ved den
’improviserede’ tendenslinje også viste, at enzymerne var effektive i et lignende interval. I forsøget
var optimum godt nok omkring 30 °C, og selvom nogle enzymer godt kan klare høje temperaturer,
så er stadig ikke mange, som kan holde til de 90 °C, som nogle vaskemidler er egnede til.
4.3.2 Enzymers pH-optimum omkring 7 vs. de alkaliske opvaskemidler
Et meget større problem har været at holde enzymernes aktivitet høj på trods af de basiske pH-
værdier i vaskemidlerne. Da de fleste enzymer har et pH-optimum omkring neutral, er det et
naturligt problem at få at få både enzymer og vaskemidlets øvrige indholdsstoffer, hvis evne
forringes ved for lave pH-værdier
15
, til at være i én blanding.
13
Artikel: Enzymer til vaskemidler – fra bugspytkirtler til gensplejsede mikroorganismer, s. 27-28
14
Bog: Enzymer – hvor bruges de, s. 10
15
Science in the box – Buffering Agents
Enzymer i vaskemidler | SRO i biologi og matematik
side 15 af 21
4.3.3 Tiltag for at optimere enzymaktiviteten
For at opnå de bedste resultater, fremstiller man nu om dage enzymerne genteknologisk. I stedet for
at benytte sig af naturligt forekomne enzymer, udvinder man dem i kulturer og genmodificerer dem
ved helt konkret at indsætte eller udskifte bestemte aminosyrer – med henblik på at skabe enzymer
med præcis de ønskede egenskaber.
Det mest effektive har været så at sige at forstørre pH- og temperaturoptimumsbredden, men da
dette selvfølgelig kun kan gøres til en vis grad, har man også så vidt muligt hævet og sænket disse
optimum med henblik på at skabe forskellige enzymer til forskellige formål: Alt afhængigt af
ønsket vasktemperatur og andre egenskaber (fx blegemiddel), indeholder vaskemidlet netop de
enzymer, der dér er mest optimale.
16
16
Artikel: Enzymer til vaskemidler, s. 31
Enzymer i vaskemidler | SRO i biologi og matematik
side 16 af 21
5. Konklusion
I planter og dyr er hovedformålet med enzymer at katalysere processer; at ’skubbe på’, så diverse
substrater bryder eller danner bindinger og bliver nye produkter, som på en eller anden vis skal
bruges efterfølgende. Men i vaskemidler er det ikke den effekt, man er interesseret i. Det vigtigste i
vaskemiddelsammenhæng er, at uønskede proteiner, stivelse og fedt (kort sagt snavs) nedbrydes til
mindre dele, som tensider så kan tage sig af.
Selvom forsøget med katalase havde en del fejlkilder, som formodentlig er i hvert fald delvist skyld
i resultater, der afviger fra teorien, kunne jeg påvise tendenser til stor afhængighed af temperatur og
pH-værdi. De to faktorer har altså en aldeles stor påvirkning på enzymaktivitet men dermed også på
vaskemidlernes effekt. Det, at enzymer har en ’maksimaltemperatur’, som ikke må overskrides, hvis
man vil undgå enzymdenaturering, og pH-optima, der ikke kan forenes med de alkaliske
vaskepulverstoffer, har krævet meget forskning.
Alligevel formår man nu at udnytte de små proteiner fuldt ud, for med genmodificering er man
efterhånden begyndt at udvikle enzymer med lige netop den effekt, som skal bruges til fx
koldtvandsvaskepulver med blegningsmiddel. Temperatur- og pH-optimumsbredden forstørres, og
vaskemidler specificeres til bestemte temperaturer. Selv enzymer med en blødgørende effekt på
vasketøj er fundet, og man kan vel efterhånden godt sige, at nytten af disse katalysatorer er meget
større end den anstrengelse, som det trods alt stadig er at tilpasse dem de forskellige
vaskeomgivelser.
Enzymer i vaskemidler | SRO i biologi og matematik
side 17 af 21
6. Litteraturliste
6.1 Bøger
▪ Bremer, Jens: Biokemi og molekylærbiologi, Nucleus Forlag ApS, 2005 (s.117-126)
▪ Novo Nordisk: Enzymer – hvor bruges de, Novo Nordisk, 1995 (s. 5, 9-11, 44-45)
▪ Skadhede, Thomas m.fl.: Biologiens Abc. Biokemi, Forlaget NICHE, 2007 (s. 33-38)
▪ Wolf, Troels m.fl.: Biologi C+B, Systime, 2008, (s. 42-45, 86-89)
6.2 Artikler
▪ Enzymer til vaskemidler, Dansk Kemi nr. 5, 2006 (Artikel nr. 8)
▪ Enzymer til vaskemidler – fra bugspytkirtler til gensplejsede mikroorganismer, Dansk
Kemi nr. 3, 2006 (Artikel nr. 7)
6.3 Hjemmesider
▪ Aarhus akademi – Enzymer og katalysatorer,
http://fag.aarhusakademi.dk/biologi/Tema/Biokemi/enzymer.html
▪ Bioweb – Enzymernes ABC, http://www.bioweb.dk/bioemner/enzymer/enzym_abc.html
▪ Biotechacademy – Enzymer,
http://www.biotechacademy.dk/undervisningsprojekter/enzymer/teori/enzymer.aspx
▪ Den Store Danske – Katalase, http://de.wikipedia.org/wiki/Katalase
▪ Marselisborg Gymnasium – Enzymer, http://www.marselisborg-gym.dk/typo3_src-
4.0.1/index.php?id=480
▪ Science in the box – Buffering Agents,
http://www.scienceinthebox.com/en_UK/glossary/bufferingagents_en.html
▪ Wikipedia DE – Enzym, http://de.wikipedia.org/wiki/Enzym
▪ Wikipedia EN – Enzymes, http://en.wikipedia.org/wiki/Enzyme
▪ Wikipedia DE – Hydrolyse, http://de.wikipedia.org/wiki/Hydrolyse
▪ Wikipedia DE – Peptidase, http://de.wikipedia.org/wiki/Peptidase
6.4 Lånte figurer
▪ Figur 1:
http://www.biotechacademy.dk/undervisningsprojekter/enzymer/teori/enzymer.aspx
▪ Figur 2, figur 3: http://www.marselisborg-gym.dk/typo3_src-4.0.1/index.php?id=480
Enzymer i vaskemidler | SRO i biologi og matematik
side 18 af 21
7. Bilag
7.1 Tabeller – de rå data
7.1.1 Oxygenvolumen per tid ved forskellige pH-værdier
4,8
6
7,2
7,8
5
3
3
4
4
10
6,5
6,5
8
7,5
15
9
10
12
10
20
13
13
16
13,5
25
16
16
19
16
30
19
19
22,5
18
35
22
22,5
25
21,5
40
25
25
28,5
24
45
27,5
28
31,5
26,5
50
30
30,5
34,5
29,5
55
32
32,5
37
32
60
34,5
34,5
38,5
34
65
37
37
41
36
70
38,5
38,5
43
38
75
40
40,5
45
40
80
42
42
46
41
85
43,5
43
47,5
42,5
90
45
44,5
49
44
95
46
46
50
45
100
47,5
47
50,5
46
NB: Da det var svært at få enzymopløsningen og substratopløsningen til at have præcis samme
temperatur, valgte vi at bruge gennemsnittet af de to opløsningers målte temperaturer.
7.1.2 Oxygenvolumen per tid ved forskellige temperaturer
5,95
9,95
23,35
24,55
24,65
28,85
31,2
34
35,15
40,15
52,5
5
5,5
4,5
10
0,5
3
4
4
4
7
1
0
10
11
11
19
0,5
6
7,5
7
7,5
13
1,5
0
15
17
17,5
28
1
8
10,5
10,5
11
18,5
2
0
20
22,5
23
35
1
11
13
14
14,5
23,5
2,5
0
25
28
28,5
41
1,5
14
15,5
16
18
28
3
0
30
33,5
33,5
45
2
16
18,5
18
21
32
3,5
0
35
38
38,5
48
2
19
21,5
21
23
36
3,5
0
40
42
42
49,5
2
21
24,5
23,5
26
38,5
4
0
45
46
45,5
51
2,5
24
27,5
27
28
41
4
0
50
48
48
52
2,5
25,5
30,5
29
30,5
43,5
4,2
0
Enzymer i vaskemidler | SRO i biologi og matematik
side 19 af 21
55
50
50,5
53
2,5
28
33
31,5
33
45,5
4,5
0
60
51,5
52
2,5
30
35
34
34,5
47,5
4,6
0
65
2,5
32
37
36
36,5
49
5
0
70
2,75
34
39
38
38
50,5
5
0
75
3
35
41
39,5
39,5
51,5
5
0
80
3
36,5
42,5
41
41
52,5
5
0
85
3
38
43,5
42,5
42
53
5
0
90
3,5
39
45
44
43,5
5
0
95
3,6
41
46
45
44,5
5
0
100
3,8
42
47
46
45,5
5
0
105
3,8
43
48
47
46
5
0
110
3,9
44
48,5
48
47
5
0
NB: I de kolonner, hvor de resterende tal tilsyneladende mangler, er det sidste tal blot den sidst
noterede volumen inden skumsøjlen blev højere end buretten og flød over.
7.2 Grafer
7.2.1 Oxygenvolumen per tid ved forskellige pH-værdier
Enzymer i vaskemidler | SRO i biologi og matematik
side 20 af 21
7.2.2 Oxygenvolumen per tid ved forskellige temperaturer
7.2.3 Initialhastighed som funktion af pH-værdi
Enzymer i vaskemidler | SRO i biologi og matematik
side 21 af 21
7.2.4 Initialhastighed som funktion af temperatur