אנו בחרנו להתמקד בהשפעת החימום על הכבד. בחרנו בשאלת חקר זו מפני שאנחנו מתעניינות במיוחד ביולוגיה ובאיברי הגוף החי. את כולנו סקרן כיצד איברים בגוף שלנו פועלים, במיוחד לאחר שלמדנו עליהם רבות באופן תאורטי בכיתה. הרגשנו צורך לבחון את הדברים על פני השטח ולבדוק מה עוד איברי הגוף עושים וכיצד.

שאלות:

• כיצד חימום משפיע על פירוק מי חמצן ע”י האנזים קטלאז המצוי בכבד?
• כיצד חימום משפיע על הכבד?
• כיצד משך החימום משפיע על פירוק מי חמצן ע”י האנזים קטלאז המצוי בכבד?
• כיצד חימום משפיע על צבע הכבד?
• כיצד חימום משפיע על מרקם הכבד?
• כיצד משפיע חימום על פעילות הקטלאז שבכבד?

שאלת חקר:

כיצד חימום משפיע על פעילות אנזים הקטלאז בכבד המפרק מי חמצן?

בחרנו בשאלת החקר הזאת מכיוון שכולנו הבענו הכי הרבה עניין באנזים קטלאז מתוך האפשרויות שמנתה בפנינו ז’ורז’ט כשהתייעצנו איתה. היה חשוב לכולנו ללמוד דברים חדשים כחלק מתהליך החקר. לכן, בחרנו בשאלה שאת הנושא שלה אנחנו לא מכירות ויש לנו עוד מה ללמוד עליו.

רקע עיוני:

אנזימים:

אנזימים הם מבנים חלבוניים שתפקידם הבסיסי הוא לזרז תגובות כימיות על ידי יצירת סביבה אופטימלית שבה תגובות יכולות להתרחש. הסביבה הזו נקראת “האתר הפעיל”. האתר הפעיל יכול להיות מבנה מרחבי מסוים, אזור בעל מטען חשמלי כלשהו כזה שמתאפיין בהידרופיליות או הידרופוביות (משיכה למים או דחייה שלהם), הכל בהתאם לתנאים הדרושים לתגובה להתרחש.

אנזים הקטלאז:

קטלאז הוא אנזים המצוי כמעט בכל האורגניזמים הנחשפים לחמצן, המפרק מי חמצן (H2O2), שהם תרכובת המזיקה לאורגניזם, למים ולחמצן. הקטלאז נמצא בבעלי חיים, בצמחים, בפטריות ובמיקרואורגניזמים רבים. באדם מצוי הקטלאז כמעט בכל תאי הגוף ואיבריו, ונמצא בכמות גדולה בכבד, בכליות ובדם על מנת לשמור הומואסטזיס תקין ולמנוע חמצון על ידי מי החמצן.

קטלאז הוא אחד האנזימים בעלי זמן המחזור (turnover number) הגבוהים ביותר: מולקולת קטלאז אחת מסוגלת לפרק מדי שנייה מיליוני מולקולות מי חמצן. הקטלאז הוא חלבון המורכב מארבע תתי-יחידות, כל אחת באורך של יותר מ-500 חומצות אמינו. הוא מכיל ארבע קבוצות הם (ברזל) המאפשרות לאנזים להגיב עם מי חמצן. ה-pH האופטימלי לקטלאז באדם הוא 7. במינים אחרים משתנה ה-pH האופטימלי ועשוי לנוע בטווח של 4 עד 111, תלוי במין.

מי חמצן: (נקרא גם מימן על-חמצני)

בתהליך ניצול החמצן להפקת אנרגיה, תהליך הקרוי נשימה תאית, נוצר תוצר לוואי: מימן על-חמצני. חומר זה הוא מחמצן חזק, ויכול להגיב כמעט עם כל חומר אורגני ולשנות את הרכבו. לפיכך, הוא מזיק לתא ועלול לגרום למותו. שיעור תוצרי הלוואי נע בין 0.2% ו-4% מכלל החמצן הנצרך והמעובד בתהליך הנשימה. שיעור זה, אף שהוא קטן, מספיק על-מנת לגרום למותו של התא. לכן, בתאים בגוף נמצא האנזים המווסת את כמות מי החמצן ושומר על הומיאוסטזיס, אשר נקרא קטלאז. וויסות כמות מי החמצן בתאים של אורגניזמים מאפשרת שמירה על הומיאוסטזיס (= הכושר לשמור על סביבה פנימית יציבה, השונה מן הסביבה החיצונית- בגבולות מסוימים).

פירוק מי חמצן:

בשלב הראשון של התגובה אטום חמצן מתנתק ממי החמצן ונקשר לאנזים; מי החמצן הופכים למים. בשלב השני אטום חמצן מתנתק ממולקולה אחרת של מי חמצן, וכן אטום החמצן הקשור לאנזים מתנתק ממנו; שני האטומים חוברים ליצירת מולקולת חמצן, מי החמצן שוב הופכים למים. התוצאה הסופית היא שתי מולקולות מים ומולקולת חמצן אחת: 

2H₂O_{2 →} 2H₂O + O₂

מבנה מרחבי של חלבון:

החלבונים אינם נמצאים בצורה של שרשרת פשוטה. שרשרת החומצות האמיניות מתפתלת ומתקפלת, ומתקבל מבנה תלת–ממדי הנקרא: המבנה המרחבי של החלבון. את הצורה התלת–ממדית הזאת קובע רצף החומצות האמיניות הבונות את שרשרת החלבון, והיא ייחודית לכל חלבון ואופיינית לו. תנאים קיצוניים כגון טמפרטורה גבוהה או רמת חומציות גבוהה, גורמים לשינויים במבנה המרחבי של חלבונים, ולעתים אף להרס בלתי הפיך. שינויים כאלה בדיוק קורים לדוגמא בחלבון הביצה – אלבומין – כשאנו מחממים אותו: המבנה המרחבי שלו נהרס.

כאמור לכל אנזים יש מבנה מרחבי אופייני (כמעין פקעת). ופעילותם הביולוגית של האנזימים תלויה במבנה המרחבי שלהם.

המבנה המרחבי של החלבון מושפע מגורמים כמו טמפרטורה ורמת ה-pH: שינויים קיצוניים בגורמים אלו עלולים להביא לדנטורציה = הרס המבנה המרחבי של החלבון.

כאשר המבנה המרחבי של האנזים משתנה, ההתאמה בין האתר הפעיל לסובסטרט נפגעת והאנזים מאבד את פעילותו.

לכל אנזים יש טמפרטורה מיטבית (אופטימלית) לפעילותו. זו הטמפרטורה שבה האנזים פועל בקצב מקסימלי.

עד לטמפרטורה המיטבית: ככל שעולה הטמפרטורה, יש יותר התנגשויות אנזים-סובסטרט ולכן גם קצב התגובה האנזימטית עולה.

מעל לטמפרטורה המיטבית: האנזים עובר דנטורציה (= הרס המבנה המרחבי של החלבון), וכך ההתאמה בין האתר הפעיל לסובסטרט נפגעת, האנזים מאבד את פעילותו וקצב התגובה יורד.

**בביוכימיה, סוּבְּסְטְרָט (או מַצָּע) של אנזים, הוא הכינוי למולקולה שעליה עובד האנזים. מולקולת הסובסטרט נקשרת אל האנזים (האנזים והמולקולה מתחברים בשביל שהאנזים יוכל לעבוד עליה), עוברת שינוי (לדוגמא- פירוק, הרכבה…), משתחררת מהאנזים ומפנה את מקומה למולקולה הבאה בתור.

המבנה המרחבי של חלבון הקטלאז

***התנגשויות אנזים-מצע: איכות פעילות האנזים

בעירה:

בעירה היא תהליך כימי בו חומר (יסוד או תרכובת) מגיב עם חומר מחמצן, ובמהלכו משתחררת אנרגיה.

החומר עמו מגיב המחמצן מכונה דלק. כל אחד מהאטומים בדלק יוצר תרכובת נפרדת עם החומר המחמצן. הבעירה הידועה ביותר היא זו שבה החומר המחמצן הוא חמצן (O2). כל התרכובות האורגניות מסוגלות לבעור בנוכחות חמצן. כשתהליך הבעירה מתרחש במהירות, משתחררת אנרגיה בצורת חום ואור. השילוב של השניים מוכר לנו כאש, ותהליך בעירה זה מכונה שריפה. תהליך הבעירה הוא בהכרח תהליך אקסותרמי – תהליך המשחרר יותר אנרגיה מן האנרגיה המושקעת בהפעלתו.

השערות:

על פי הרקע העיוני, אנו משערות שאם נחמם את הכבד, אנזים הקטלאז המצוי בו לא יפעל מאחר והוא יעבור דנטורציה, המבנה המרחבי שלו יהרס ולכן לא יפרק את מי החמצן.

תכנון ניסוי:

גורם משפיע– חימום

גורם מושפע– פעילות הקטלאז שבכבד בפירוק מי חמצן

משתנים קבועים–  גודל ומשקל הכבד, סוג הכבד, הטמפרטורה ההתחלתית של הכבד, כמות מי החמצן המטופטפים על הכבד, משטח העבודה, מיקום.

אנו נבצע שלוש חזרות על מנת לוודא שהתוצאות נכונות ואמינות.

קבוצת הבקרה תהיה מבחנה ובה כבד ללא חימום מקדים.

כלים וחומרים:

• כבד עוף טרי ללא אנטיביוטיקה וללא הוספת הורמונים, תוצרת “עוף טוב” במשקל 11 גרם (לפחות)
• משקל בגרמים.
• חבילת גפרורים
• מי חמצן (H2O2) בריכוז 33%
• 6 מבחנות
• סטנד למבחנות
• מים מהברז
• גזייה + מעמד
• 2 כוסות כימיות גדולות
• 2 כוסות
• כפפות סטריליות
• פיפטה
• פיפטור
• 6 קיסמים עוממים
• שעון
• מצלמה
• טבלת excel
• סכין

תכנון ניסוי:

1. נקנה חבילת כבד
2. נחתוך את הכבד ל6 חתיכות במשקל 1.7 גרם. נעזר במשקל בגרמים.
3. נכניס כל חתיכה למבחנה נפרדת.
4. ניקח מי חמצן בריכוז 33% בכמות של 6.6 מ”ל.
5. נדלל את מי החמצן עם 13.4 מ”ל מים מהברז בתוך כוס כימית. כך ניצור דילול של מי חמצן ל7%.
6. נמזוג 80 מ”ל מים לתוך כוס כימית אחרת.
7. נעמיד את הכוס על הגזייה ונדליק את האש.
8. נחכה מספר דקות עד שהמים ירתחו.
9. נמזוג 2 מ”ל מים לכל מבחנה.
10. נכניס את אחת מהמבחנות לתוך הכוס הכימית שעל הגזייה ונמשיך לחמם.
11. נחכה 4 דקות עד שהמים נראים עכורים והכבד מאבד את צבעו ואז נוציא את המבחנה ונעמיד אותה על הסטנד ליד השנייה.
12. נמדוד 2 מ”ל מי חמצן מדוללים ונמזוג לכל אחת מהמבחנות.
13. נכתוב מה אנו רואות ונתעד.
14. ניקח קיסם עומם ונכניס לכל אחת מהמבחנות ונראה האם האש נדלקת.
15. נכתוב מה ראינו ונסיק מסקנות.

תוצאות:

במבחנה עם הכבד שאותה חיממנו לפני הכנסת מי החמצן, לא נוצרו בועות גז לאחר הוספת מי החמצן. לאחר הכנסת הקיסם העומם לא קרה שום שינוי והאש בקצהו לא התחדשה.

במבחנת הבקרה נוצרו בועות גז לאחר הוספת מי החמצן. לאחר הכנסת הקיסם העומם לכוס התחדשה האש בקצה הקיסם.

מסקנות:

על פי תוצאות הניסוי ניתן לראות כי במבחנת הבקרה שלא עברה חימום מקדים הופיעו בועות גז שנבעו מתגובה כימית – מפירוק תרכובת מי החמצן על ידי הקטלאז שגרם לשחרור אטומי החמצן מאחר ותוצרי פירוק תרכובת מי חמצן הם מולקולות מים ודו חמצן.

הקיסם העומם שהוכנס התלקח מאחר והשתחררו אטומי חמצן (O2) ובגלל שהחמצן מעודד בעירה, הוא גרם לתגובה כימית בינו לבין חומר הדלק שבקיסם העומם וגרם לתהליך אקסותרמי – שחרור אנרגיית חום בצורת אש.

במבחנה שבה טמפרטורת הכבד הייתה גבוהה יותר מאחר וביצענו בה חימום מקדים, האנזימים עברו דנטורציה שגרמה לשינויים במבנה המרחבי של חלבונים ולהריסתם. אנזים הקטלאז לא היה פעיל ולכן לא היה מסוגל לפרק את תרכובת מי החמצן. כתוצאה מכך, לא השתחררו אטומי חמצן ולכן הקיסם העומם לא נדלק מאחר ולא היה לו את המחמצן הדרוש לעידוד תהליך הבעירה.

מכאן ניתן להסיק כי החימום גרם לדנטורציה לאנזים הקטלאז שבכבד. כלומר החימום הרס את אנזימי הקטלאז ומנע מהם לבצע את תפקידם.

דיון העולה מהמסקנות:

הניסוי תורם להתפתחות הידע הקיים בנושא זה בכך שאנו מסיקים שאם טמפרטורת הגוף שלנו תעלה מעבר למותאם לגוף, אנזימי הקטלאז בכבד יעברו דנטורציה ופעילותם תשתבש. כלומר, הם לא יהיו פעילים יותר, דבר שיכול לפגוע בכל תפקוד הגוף, פעילותו ויכולה להיות השפעה הרסנית על כל מערכות הגוך האחרות. לכן אנו מבינים כי מצב שבו טמפרטורת הגוף גבוהה מדי, אנו נמצאים בסכנה וחייבים טיפול מיידי.

מכך אנו רוצות לשאול מספר שאלות:

האם חימום ישפיע על אנזימים אחרים בגוף בדיוק כפי שהשפיע על הקטלאז או באופן אחר?

האם חימום משפיע רק על אנזימים שבאיבר מסוים-הכבד או גם באיברים אחרים?

*ניתן לבדוק בניסויים נוספים האם חימום איברים שונים בגוף משפיע על האנזימים המצויים בהם. כך נדע האם חימום פוגע באופן קולקטיבי בכל אנזימי הגוף או שמקרה זה מתרחש רק בכבד.

רפלקציה קבוצתית על התהליך:

אנו למדנו רבות מתהליך החקר, למדנו כיצד לשאול שאלת חקר, כיצד לתכנן ניסוי נכון עם משתנים קבועים, גורם משפיע ומושפע, באילו כלים נכון להשתמש וכולי. בנוסף, נתרמנו מאוד מבחינת ידע, למדנו דברים שלא ידענו בעבר, נחשפנו לדברים שלא היינו נחשפות לולא עבודת החקר. העבודה הקבוצתית תרמה מאוד לתהליך החקר בכל שכל אחת הציעה דברים מתחומה, כל אחת תרמה את יכולותיה, יכלנו להתדיין על דברים, להחליט יחדיו, לחקור ולעזור אחת לשנייה.

רעיונות להמשך:

היינו רוצות לחקור בנוסף להשפעת חימום הכבד על פעילות אנזים הקטלאז המצוי בכבד כמה דברים:

1. השפעת האלכוהול על פעילות אנזים הקטלאז המצוי בכבד.

2. השפעת חימום בטמפרטורות שונות על פעילות האנזים.

3. השפעת חומרי ניקוי (מסוג נוזלי כמו אקונומיקה) על פעילות האנזים.

רפלקציה אישית:

ירדן- תהליך העבודה היה מהנה ומעניין. חוויתי תהליך של חקר אמיתי יחד עם שותפות יעילות ותומכות. נהניתי להתנסות בחקר, במיוחד לאור העובדה שיכולנו לבחור את נושא הניסוי לפי העניין שלנו בו. התהליך תרם לי ידע רב בנושא הכבד ובנושא חלבונים. למדתי על עצמי המון דברים חדשים כמו שאני נהנית לעבוד בקבוצה, שאני אוהבת ביולוגיה, אני סקרנית ואוהבת לחקור דברים חדשים ולמדתי יחד עם חברותיי לקבוצה שבזכות עבודת צוות טובה, תמיכה, יעילות, עניין והקשבה אפשר לעשות דברים מדהימים. הניסוי שלנו כשל פעמיים ובפעמיים האלו השקענו הרבה משאבים וזמן אבל עודדנו אחת את השנייה ולא ויתרנו. ניסינו שוב ושוב עד שלבסוף הגענו לתוצאה הרצויה שכולנו מרוצות ממנה.

נטע- אני נהיתי מאוד לעבוד עם שותפותי בעבודת החקר, למדתי רבות. זה תרם לי בכך שלמדתי דברים חדשים, נחשפתי לדברים שלא הכרתי, לנושא שלא הכרתי בהתחלה אך גיליתי שהוא מאוד מעניין. למשל, למדתי איך נראה כיס מרה שהיה בכבד שקנינו. עשיתי דברים שלא הייתי עושה לולא עבודת המחקר.
למדתי על עצמי שאני יודעת לעבוד בשיתוף פעולה ועבודת צוות, שעוזר לי להכיר דברים חדשים בעזרת שותפות לעבודה.

שיר- עבודת החקר העשירה אותי מאוד, נחשפתי לתחום חדש החוקר את פעילות האנזימים דרך הניסוי, שעורר אצלי רצון עז ללמוד את הנושא מעבר. עבודת הצוות הייתה טובה אף מאוד ושמחתי לעשות את הניסוי עם חברות הקבוצה. למדתי שאני יודעת לעבוד תחת לחץ שכן הניסוי הראשוני שביצענו לא עבד והיה עלינו לשנות את הניסוי ובעצם את כל העבודה. שמחתי שחקרנו נושא שקרוב לליבנו שכן בעתיד ארצה לעסוק בתחום הרפואה.

תודות:

אנו מודות למורתנו אורי הירשמן כהן על הייעוץ והעזרה בתהליך החקר, התמיכה וההעשרה שנתנה לנו.

אנו מודות ומעריכות את העזרה של ז’ורז’ט שכיוונה אותנו במהלך כל הניסוי וביצעה אותו יחד איתנו, שהביאה את הכלים והחומרים שהיינו זקוקות להם, שענתה לנו על כל השאלות ובמיוחד שנתנה לנו לבצע את הניסוי בהשגחתה.

ביבליוגרפיה:

• כימיה ומדעי החיים לכיתה ט, מטח צוות מדע וטכנולוגיה, תל אביב, הוצאת מטח : המרכז לטכנולוגיה חינוכית, עמוד 97- המבנה המרחבי של החלבונים.

• ויקיפדיה, בעירה

https://he.wikipedia.org/wiki/%D7%91%D7%A2%D7%99%D7%A8%D7%94

• ויקיפדיה, קטלאז

https://he.wikipedia.org/wiki/%D7%A7%D7%98%D7%9C%D7%90%D7%96

• ישרא-בלוג, ד”וח מעבדה בביולוגיה פירוק מי חמצן

http://israblog.nana10.co.il/blogread.asp?blog=217245&blogcode=11243717

• מטח- נחשון קידום מצוינות אישית, הגורמים המשפיעים על קצב פעילות האנזימים, מצגת [PPT]

• מכון דוידסון- הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע, מהם אנזימים?

http://davidson.weizmann.ac.il/online/maagarmada/life_sci/%D7%9E%D7%94%D7%9D-%D7%90%D7%A0%D7%96%D7%99%D7%9E%D7%99%D7%9D