Alkohol og enzymkinetik

Introduktion: Du vil komme til at lære om enzymers virkning generelt, og om hvordan disse styrer kroppens nedbrydning af alkohol. Du vil derudover blive introduceret til Michaelis-Menten-kinetik og enzyminhibering, samt hvordan man kan anvende denne teori inden for behandling af forgiftninger. 

 

Mennesket har i mindst 10.000 år kendt til alkohol, og det er i dag verdens suverænt mest anvendte rusmiddel. De gamle egyptere mente, at guden Osiris skænkede øllet til mennesket, og var i stand til at brygge mindst 17 forskellige slags øl. I Kina har man fundet vinbeholdere fra omkring år 7000 f.v.t. Her brugte man vin til alt fra offergaver ved religiøse ceremonier til stimulans, før man gik i krig.

I dag bruger man i Vesten i høj grad stoffer ved festlige lejligheder, men kan man kalde alkohol et stof? Hvad er et stof i det hele taget? Hvis alkohol er at betragte som et stof, skal det så forstås på samme måde som hårde stoffer, for eksempel kokain, eller har ordet en bredere betydning?

Som nævnt bruges alkohol i dag primært ved festlige lejligheder, men det er værd at overveje, om det kunne have andre, måske mere gavnlige, effekter og anvendelsesmuligheder. Kender du andre ting, man bruger alkohol til? Bruges det mon medicinsk og i givet fald hvordan?

Dette projekt beskæftiger sig med alle ovenstående spørgsmål og en række andre emner. Du vil komme til at lære om enzymers virkning generelt, og om hvordan disse styrer kroppens nedbrydning af alkohol. Du vil derudover blive introduceret til Michaelis-Menten-kinetik og enzyminhibering, samt hvordan man kan anvende denne teori inden for behandling af forgiftninger. Her kan alkohol nemlig spille en vigtig rolle.

Når du har læst teorien kan du trykke på “Opgaver” og teste din nye viden. Hvis du vil fordybe dig lidt i de samfundsmæssige og etiske aspekter omkring projektet, kan du vælge “Debat og diskussion”.

Teori:

Teori-materialet består af fire artikler. De fleste af artiklerne kan læses uafhængigt af hinanden, men det anbefales at læse artiklerne i rækkefølge.

Der er også et debatoplæg samt opgaver til materialet.

God fornøjelse!

Opgaver, debat og diskussion:

 

  • Opgaver

    Nedenfor finder du nogle opgaver, hvor du i praksis kan bruge den teori, du lige har lært. De nødvendige informationer er at finde i materialet, eller er angivet ved opgaven.

    Svar på opgaverne kan findes under lærervejledning: Retteark til lærer.

    Opgave 1.
    Et enzym følger Michaelis-Menten kinetik og har en KM-værdi på 1,2 µM. Vmax er på 35 µM/s.
    Bestem starthastigheden V0 når substratkoncentrationen [S] er lig 0,2 µM.

    Opgave 2.
    En anden enzymatisk reaktion har en KM-værdi på 1 µM. Ved en substratkoncentration på 0,1 M er starthastigheden V0 = 0,22 µM/s.
    Estimér V0 ved følgende substratkoncentrationer:
    1000 * KM? 5 * KM? 1 * KM? 0,1 * KM?

    Opgave  3.
    Hvor stor skal [S] være for at starthastigheden V0 er lig med Vmax for en reaktion der følger Michaelis-Menten-kinetik?

    Opgave 4.
    Forklar med dine egne ord (diskutér eventuelt med sidemanden) forskellen mellem reversibel og irreversibel inhibering. Forklar dernæst forskellen mellem kompetitiv og non-kompetitiv inhibering.

    Opgave 5.
    Du har foretaget et eksperiment hvor du har målt den umiddelbare reaktionshastighed for en enzymatisk reaktion. Starthastigheden ved forskellige substratkoncentrationer har du målt til følgende:

         [S]/mM      V0/µM/s
    0,41,85
    0,83,44
    1,24,83
    2,07,14
    4,011,11
    6,013,63
    8,015,38
    10,016,66

     

    a) Du vil nu gerne finde ud af hvad KM og Vmax er for denne reaktion. Hvordan vil du gøre det?

    b) Hvad bliver KM og Vmax?

    Du har fundet et stof som du mistænker for at være en inhibitor for enzymet. Du udfører derfor eksperimentet igen, men denne gang tilsætter du 100 µM (0,100 mM) af inhibitoren.

    Denne gang måler du følgende:

         [S]/mM      V0/µM/s
    0,40,96
    0,81,85
    1,22,67
    2,04,16
    4,07,14
    6,09,37
    8,011,11
    10,012,50

    c) Hvilket type inhibering er der tale om?

    d) Bestem Ki.

    e) Vil du vurdere stoffet til at være en kraftig inhibitor? (Hint: Sammenlign Ki og KM)

    Du vil gerne gentage det oprindelige forsøg (uden inhibitor) men opdager at du ikke har så meget enzym tilbage. Du gentager derfor eksperimentet med en enzymkoncentration der kun er det halve af hvad den var i første omgang.

    f) Vil du forvente at dette påvirker KM og Vmax? Og i så fald hvordan?

    Opgave 6.
    Brug Michaelis-Menten ligningen til at udlede Lineweaver-Burk-ligningen :

    \frac{1}{V_{0}} = \frac{K_{M}}{V_{max}} \cdot \frac{1}{V_{max}}

     

    Opgave 7.
    Du skal nu regne lidt på en case hvor ethanol kan bruges som inhibitor og dermed redde liv:

    Til en lidt for vild gymnasiefest er en pige kommet til at indtage ethylenglycol, et stof der ofte bruges som antifrostvæske. Når kroppen nedbryder ethylenglycol bliver der dannet metabolitterne oxalat og glycolat, som er meget giftige. Der bliver derfor hurtigt ringet efter en ambulance. I mellemtiden finder en gruppe biologikyndige elever dog på at give pigen en modgift. Vodka!
    De ved nemlig at ethylenglycol bliver omdannet til oxalat og glycolat af alkoholdehydrogenase. Samme enzym som omdanner ethanol til ethanal. Deres argument er at ethanolen virker som en inhibitor for enzymets aktivitet overfor ethylenglycol.

    a) Hvilken type inhibering tror du ethanol udfører i denne sammenhæng?

    b) Ethylenglycol har det systematiske navn ethan-1,2-diol. Tegn strukturen af ethylenglycol, både strukturformlen og stregformlen.

    I det følgende får du brug for nogle konstanter:
    KM for ethylenglycol = 19 mM
    Ki for ethanol = 0,44 mM
    Ethanols massefylde = 0,8 g/mL
    Ethylenglycols massefylde = 1,1 g/mL

    Pigen har drukket 90 mL ethylenglycol og hendes krop indeholder 40 L legemsvæske. Vi kan antage at ethylenglycolen er fordelt ligeligt i hele denne væske.

    c) Hvilken koncentration af ethylenglycol er der i hendes krop efter hun har bundet sin antifrost-drink? (Hint: Du skal selv udregne molarmassen for ethylenglycol).

    d) Hvilken hastighed nedbrydes ethylenglycol med ved denne koncentration, udtrykt i forhold til Vmax?

    For at forhindre forgiftning skal reaktionshastigheden bringes ned til 5 % af Vmax.

    e) Hvor stor en koncentration af ethanol skal der være i pigens krop for at nedbringe enzymets aktivitet til denne værdi? (Hint: Du skal kombinere Michaelis-Menten ligningen med udtrykket for KM-app)

    f) Hvor meget vodka skal hun drikke for at opnå denne koncentration? Du kan regne med at vodka indeholder 40 vol.% alkohol.

    Opgave 8.
    Alkohol, især ethanol, bruges meget ofte som desinfektionsmiddel. Hvilke egenskaber gør alkohol til en god desinfektant, og hvordan desinficerer det? Brug eventuelt internettet til at søge efter svaret.

  • Debat og diskussion

    Oplæg
    Alkohol er det suverænt mest brugte rusmiddel i den vestlige verden og har været det i lang tid. Alkohol var tidligere en stor del af mange danskeres hverdag, og et stort flertal af danskerne drikker i dag ved festlige lejligheder. Dog lader det til, at jo mere man forsker i effekterne ved et alkoholforbrug, des flere bivirkninger finder man. Sammenholder man dette med de forholdsvis få medicinske anvendelsesmuligheder, som alkohol har, kan man sagtens forestille sig, at stoffet var blevet totalt forbudt, hvis man først havde opdaget det i dag. Det virker muligvis drastisk, og en af grundene til at brugen af alkohol er blevet så udbredt er naturligvis også, at der skal et relativt stort og/eller langvarigt forbrug til, før de alvorligste bivirkninger bliver synlige – hvilket dog ikke er ensbetydende med, at de ikke er tilstede tidligere. Følgende arbejdsspørgsmål kan belyse problematikken yderligere.

    Undersøg på egen hånd Sveriges officielle alkoholpolitik og giv et bud på følgende spørgsmål:

    • Hvad er Systembolaget, og hvorfor blev det oprettet?
    • Er svenskerne tilfredse med det?
    • Tror du, danskerne ville acceptere en lignende løsning?
    • Se, om du kan finde en statistik over alkoholrelaterede dødsfald. Er der forskel på Danmark og Sverige?

    Jævnligt er der overskrifter i medierne omhandlende de danske unges massive alkoholforbrug.  I februar er avisspalterne fyldte med artikler om de danske gymnasieelevers skiture, og hvor meget alkohol de indtager. I sommerferien handler historierne om Sunny Beach o.l. Diskutér følgende spørgsmål i klassen eller i grupper:

    • Hvad kan grundene være til, at netop danske unge har et af de højeste alkoholforbrug i verden?
    • Hvad skal der til for at ændre denne tendens? Hvad skulle der til, for at du drak mindre alkohol?
    • Sundhedsstyrelsen lancerer jævnligt kampagner specielt målrettet mod unge, der skal begrænse alkoholforbruget – senest Stop Før 5. Tænker du over sådanne kampagner, og har de indflydelse på dit alkoholforbrug?

    Diskussions-/holdningsspil
    Case: Sundhedsstyrelsen har efter offentliggørelsen af en ny forskningsrapport foreslået et totalt alkoholforbud i Danmark. Mens de forsøger at overbevise partierne på Christiansborg om idéen, raser debatten i resten af samfundet. En række forskellige aktører er kaldt sammen til en tv-debat, der tegner til at blive særdeles ophedet.

    Opgave: Klassen deles op i et antal grupper og hver gruppe får tildelt en rolle i debatten. De får desuden en række holdninger, de skal forsvare. Derefter skal de forberede deres argumenter og strategier i grupperne. Herefter samles alle til den endelige debat, hvor én (evt. læreren) udpeges som ordstyrer. Hver gruppe starter med at præsentere deres holdning på 1-2 minutter, hvorefter debatten går i gang.

    Ordstyreren kan med fordel styre debatten med udgangspunkt i spørgsmål til den enkelte aktør. Herefter kan resten byde ind med kommentarer.

    Følgende roller og holdninger skal indtages:

    • Sundhedsstyrelsen: Går ind for et totalt forbud. Et stort alkoholforbrug er dødeligt, og selvom man ikke drikker så meget, er risikoen for at være involveret i vold og ulykker alligevel større. Alkohol kan kædes sammen med over 60 forskellige sygdomme og er dermed et yderst skadeligt stof, der helt bør forbydes.
    • En stor ølproducent: Er totalt imod et forbud, der fuldstændigt vil fjerne bryggeriernes eksistensgrundlag. Øl er en eksportvare for Danmark – og ikke mindst et mærke, der er med til at brande landet – og staten vil derfor også miste store indtægter ved at indføre et alkoholforbud. Derudover vil uacceptabelt mange arbejdspladser gå tabt, hvis bryggerierne må lukke.
    • En læge: Er enig i at alkohol i mange tilfælde er yderst skadeligt, men mener, at et totalforbud er at gå over stregen. Mener at man bør fortsætte og udvide de store oplysningskampagner, så forbrugerne i højere grad lærer at drikke med måde. Man bør dog indføre flere restriktioner for at styre forbruget bedre.
    • Yngresagen: Erkender, at de unges alkoholforbrug er et problem, men mener også, at ansvaret ligger hos den ældre generation i deres opdragelse af nutidens unge og deres funktion som rollemodeller. Derudover har det offentlige et ansvar for at vejlede og rådgive de unge om alkoholvaner. Mener derfor, at Sundhedsstyrelsen skal lægge større vægt på oplysningskampagner målrettet de unge. Et forbud er ikke vejen frem.
    • Brancheforeningen for Danske Barer og Natklubber: Er totalt imod et forbud. ’Sundhedsbølgen’ er gået for vidt, først med rygeforbuddet og nu med et alkoholforbud. Rigtig, rigtig mange barer vil gå nedenom og hjem, hvis et forbud bliver indført.
    • En finansøkonom: Forskning viser, at et moderat alkoholforbrug hos en befolkning hjælper på de offentlige finanser, men at det bliver dårlig forretning, når forbruget stiger, og folk skal på hospitalet.

    Diskussion i plenum eller grupper
    Hvornår skal et stof (i bred forstand) forbydes?

    Hvilke faktorer, mener I, skal gøre sig gældende, for at et stof skal forbydes? Nævn mindst tre ting, der skal gøre sig gældende.
    Det er højst sandsynligt sværere, end man skulle tro, men overvej følgende punkter:

    • Dosisfarlighed. Hvor store mængder af stoffet skal der til, før det er farligt for mennesker eller miljø?
    • Forekomst. Hvis stoffet ved ’normal brug’ ikke har store skadesvirkninger, men kan have det i andre sammenhænge, har det så noget at sige? Eksempelvis kan lim virke euforiserende og er yderst giftigt, hvis man sniffer det gennem næsen, men det betyder naturligvis ikke, at lim er forbudt. Ligesådan har lim ingen giftige virkninger, hvis man bruger det som tiltænkt.
    • Afhængighedsrisiko. Har det en betydning, om man let udvikler afhængighed af stoffet, hvis man indtager det? Dette problem kan for eksempel afhjælpes ved at gøre stoffet receptpligtigt, så man kun kan få adgang til det, hvis man har et reelt medicinsk problem, der kan forbedres ved brug af stoffet.

Kildehenvisning:

Dette projekt blev udgivet i januar 2011. Det er udarbejdet af Biotech Academy og er blevet opdateret løbende.

null

Projektet er udarbejdet af Kristian Jensen, der til daglig læser civilingeniør i Bioteknologi på DTU Systembiologi.

Kristian Jensen

null

Projektet er udarbejdet af Mikkel Baumann, der tidligere har læst til civilingeniør i Miljøteknologi på DTU Miljø.

Mikkel Baumann

Dansk Bioteknologisk Selskab

Dansk Bioteknologisk Selskab er et videnskabeligt selskab, der bl.a. har til formål at fremme interessen for bioteknologi, biokemi og molekylær biologi. Selskabet har ydet økonomisk støtte til dette undervisningsprojekt.