HT11 Institutionen för medicinsk biokemi och biofysik Tandläkarprogrammet, Termin 1, Människokroppens kemi Original skapat av Åke Rökaeus 2004, Reviderad 110916, 110909, 100909, 090914+22 ÅRö, 080828 ORå Inför Vätternrundan Uppgifter till seminarium 1-3 Instuderingsfrågor Uppgifter till räknestuga Namn: Grupp:
Innehåll Seminarium 1. Kolhydrater och lipider. Instuderingsfrågor till seminarium 1. Seminarium 2. Buffertar i kroppsvätskor. Seminarium 3. Aminosyror och proteiner samt enzymer, cofaktorer och energi Instuderingsfrågor till seminarium 3 Räknestuga. Övningar i syrabas. Information om seminarierna och deras syfte: MATERIAL Frågor/uppgifter + egna böcker + kompendier REDOVISNING Diskussion, problemlösning, och frågestund i grupp ( 16 studenter/lärare) utifrån de givna uppgifterna. Vissa uppgifter löses genom användande av molekylmodeller (Sem 1). Studenterna förutsätts ha läst motsvarande avsnitt i kurslitteraturen, arbetat med instuderingsuppgifterna och förberett seminarieuppgifterna. SYFTE Aktiverande inlärning med möjlighet till fördjupad inlärning och förtydligande av svåra begrepp inom behandlade ämnesområden. Några tips: Börja inte med instuderingsfrågorna direkt! Det går mycket lättare om du först har gått igenom det aktuella avsnittet översiktligt i boken. De bifogade instuderingsfrågorna är till för din egen skull och kommer inte att gås igenom på seminarierna. Seminarierna skall ge dig en möjlighet att diskutera och sammanfatta dina kunskaper, samt belysa speciellt knepiga begrepp. Det är alltså nödvändigt att du till seminarierna är väl förberedd och har gått igenom uppgifterna på förhand. När du kommer till seminarierna förväntas du kunna föra ett resonemang utgående från uppgifterna och redovisa detta. Litteratur: Harvey, R.A. & Ferrier, D.R. [HF]: Biochemistry 5th ed. Rådmark, O. & Wetterholm, A.: Syror och baser, Vattenlösningars egenskaper, osmos och tonicitet, elektrolyter. Bokutdrag: Ingelman-Sundberg & Persson [I-S.P.]: Människokroppens kemi; Elliott & Elliott [E.E.]: Biochemistry and Molecular Biology. Kompendier Föreläsningsanteckningar Lycka till!! 2
Inledning Med kosten får vi oss många olika typer av näringsämnen (kolhydrater, lipider och proteiner), som under passagen genom munhålan och vidare ned genom mag-tarmkanalen, enzymatiskt bryts ned till olika byggstenar. Därefter absorberas, transporteras och omsättas (metaboliseras) dessa byggstenar för att vi i olika organ skall kunna tillgodogöra oss dessa i form av energi eller använda dem för att syntetisera mer komplexa molekyler. För att dessa processer skall fungera på ett optimalt sätt är det väsentligt att miljön alltid är den rätta vad avser exempelvis ph, jonkoncentrationer samt gallsalter (i tarmen). Spottkörtlarna i munhålan, liksom lever och pankreas (bukspottkörteln) bidrar på olika sätt till att miljön är den rätta i matsmältningskanalen och till att hanteringen av näringsämnen i tarmen fungerar optimalt. Att äta rätt handlar inte bara om att på individuell basis inta en balanserad och lagom mängd av huvudnäringsämnen, utan också om att vi får i oss en rad andra essentiella ämnen såsom vitaminer, salter och metalljoner. Via kosten får vi också i oss nukleinsyror och nukleotider, stora mängder vatten samt en hel del mer eller mindre toxiska substanser som också skall hanteras på rätt sätt för att våra metabola processer skall fungera och vi skall må bra och inte drabbas av sjukdom eller problem i munhålan såsom karies eller tandlossning. De individuella faktorer som antagligen är av störst betydelse i dessa sammanhang är individens genuppsättning och livsstil, men antagligen har även vår bakterieflora i munhåla och tarm en större betydelse än man tidigare trott, liksom även vår ålder. Eftersom alla inte har fullständig koll på vad det här med näringsämnen är (kolhydrater, lipider, proteiner [t.ex. enzymer] samt vitaminer) och det är av största vikt att du som blivande tandläkare har detta, är målet med dessa tre seminarier Inför Vätternrundan att du skall lära dig detta, liksom betydelsen av syra-bas balans och korrekt ph. På de senare seminarierna 4 och 5 under denna kurs (se Vätternrundan ) studerar vi hur våra näringsämnen metaboliseras (omsätts) i kroppen. 3
Seminarium 1: Kolhydrater och lipider Med kosten får vi i oss många olika typer av kolhydrater (huvudsakligen stärkelse och sukros), som under passagen genom munhålan och vidare ned genom matsmältningskanalen bryts ned till monosackarider för att vi skall kunna tillgodogöra oss dessa. Kolhydrater har enorma strukturella variationsmöjligheter men till skillnad från lipider och aminosyror beror variationen nästan helt på stereokemin, dvs. rymdstrukturen. Små skillnader i stereokemi kan ge stora skillnader i kemiska och biologiska egenskaper. Ett effektivt sätt att lära sig kolhydraternas stereokemi är att rita konfigurationsformler och bygga molekylmodeller. De inledande uppgifterna i detta seminarium är valda med tanke på detta och för att integrera reaktionsläran. OBS!! Molekyllådor utlånas under seminariet (1 låda per 2-3 studenter). OBS!! Det är inte nödvändigt att hinna igenom alla uppgifter, se dem som förslag på uppgifter som kan behandlas under seminariet. Ta gärna en kort paus efter ca halva seminarietiden. Rymdstrukturen kan också skilja mellan två mycket enkla molekyler även om de har samma komposition (atomära sammansättning). Detta är fallet om molekylen innehåller ett eller flera asymmetriska (kirala) kol. Ett kiralt kol är ett kol som har fyra olika substituenter (grupper av atomer) bundna till ett och samma kol. För att skilja två sådana stereoisomerer från varandra används beteckningarna L och D [eller de mera generella beteckningarna R och S]. Inled detta seminarium med att tillsammans med en kurskamrat bygga två enkla föreningar som består av ett kol med fyra olika substituenter. Övertyga dig därefter om att det finns två stereoformer av föreningen som skiljer sig ungefär som en vänsterhandske från en högerhandske. Vanligt socker, sukros, är sammansatt av D-glukos och D-fruktos. Rita Fischerprojektioner av dessa monosackarider och bygg modeller av dem! Ringslut sedan dessa och bilda båda anomererna, och gå igenom vad som händer kemiskt vid ringslutningen! Rita och namnge Haworth-projektioner av de ringslutna molekylerna! Identifiera typ av glykosidbindning i disackariderna sukros, laktos, maltos och isomaltos. Identifiera på motsvarande sätt de två vanligaste typerna av glykosidbindningar som finns i glykoproteiner. Rita och jämför Fischerprojektioner av D-glukos och D-galaktos samt identifiera var skillnaden mellan molekylerna ligger! Dessa socker är epimerer: vad innebär begreppet? 4
Till skillnad från kolhydrater utgör våra lipider en mycket heterogen klass av ämnen med många olika funktioner. På grund av sin kemiska natur måste de exempelvis transporteras på olika sätt i kroppen (t.ex. kolesterol) innan de så småningom kan bygga upp våra membraner eller lagras i fettväv i form av triacylglycerol (TAG; triglycerider - TG). Många lipider innehåller glycerol som stomme (t.ex. glycerofosfolipider och TAG). Glycerol har inget asymmetriskt kol men det har oftast glycerofosfolipider och många TAG-molekyler. För att särskilja två sådana molekyler används ibland beteckningen sn- (stereospecifik numrering) framför namnet: t ex 1-acetyl-sn-glycerol och 3- acetyl-sn-glycerol. Studera strukturen hos glycerofosfolipider (se HF, sid 201-202), som utgör viktiga byggstenar i våra membraner. Identifiera det assymetriska kolet (tänk på den inledande uppgiften till detta seminarium). Identifiera den del av fosfolipiden som vänder sig mot den hydrofila miljön (intracellulärt respektive extracellulärt)! Tänk i detta sammanhang igenom hur en specifik glycerofosfolipid kan tänkas binda Ca 2+ joner (se HF, sid 390; fig. 28.27), något som är av betydelse i samband med blodets koagulationen då vissa koagulationsfaktorer skall binda till skadestället. [Flera av dessa koagulationsfaktorer är s.k. serinproteaser och innehåller speciella glutaminsyrarester som är modifierade - gammakarboxylerade.] Vilka bindningar håller ihop cellmembranet, vilka bindningar kan finnas mellan ett cellmembran och miljön, och hur är miljön organiserad (vattenmolekyler, salter)? Vilken betydelse har det faktum att membranet innehåller fettsyror med ciskonfiguration i dubbelbindningarna? Om man i ställer har trans-konfiguration, hur påverkas membranets struktur och rörlighet? Hur påverkas membranets struktur av lipiden kolesterol? Vilka annan klass av biomolekyler är vanligt förekommande i våra cellmembraner? Många olika biologiska molekyler, t.ex. omättade fettsyror, förändras strukturellt då de oxideras. Oxidation av Low Density Lipoprotein (LDL; lipoprotein som transporterar kolesterol i blodbanan), är ett exempel där oxidation av molekyler anses bidra till sjukdom - åderförkalkning. Diskutera begreppet oxidation och reduktion i biologiska molekyler med utgångspunkt från vad som händer när etanol oxideras enzymatiskt till ättiksyra i kroppen. (Använd gärna oxidationstal [se I-S.P. sid 16-18] för definition av begreppen oxidation och reduktion.) 5
Instuderingsfrågor: Kolhydrater 1. Vad är anledningen till att kolhydrater heter just "kolhydrater". Förklara kortfattat! Vad har kolhydrater för funktion i kroppen? Vilka är våra huvudsakliga nutriella kolhydrater? 2. Kolhydrater kan indelas i olika klasser med avseende på antal subenheter i molekylen. Definiera följande begrepp samt exemplifiera med de fysiologiskt viktigaste kolhydraterna ur varje klass. a. Monosackarid b. Disackarid c. Polysackarid d. Oligosackarid 3. Vad menas med aldosocker (aldos) resp. ketosocker (ketos)? Ge exempel! Rita en aldehyd- resp. ketogrupp. 4. Vad menas med en asymmetrisk kolatom? Hur många asymmetriska kolatomer finns det i de acykliska formerna av nedan angivna socker? a. Dihydroxyaceton b. Glyceraldehyd c. Glukos d. Fruktos e. Ribos f. Deoxyribos 5. En sockermolekyl med minst 4 kol kan uppträda i såväl cyklisk som acyklisk form. Rita de cykliska respektive acykliska formerna av glukos, fruktos och ribos. 6. Förklara begreppen pyranosform och furanosform. Rita gärna! 7. Vad menas med anomer kolatom? Hur uppkommer det anomera kolet? 8. Kolhydrater med samma bruttoformler kan uppträda i olika former med helt skilda kemiska egenskaper. I detta sammanhang används en rad olika begrepp för att karaktärisera närbesläktade föreningar. Redogör för följande begrepp samt ge exempel på föreningar som är: a. Anomerer b. Enantiomerer (spegelbildsisomerer) c. Epimerer 9. Vad avgör om ett socker är ett L- eller D-socker när det uppträder i sin acykliska respektive cykliska form. 10. Den acykliska formen av ett socker åskådliggörs vanligen genom Fischerprojektion medan den cykliska formen åskådliggörs genom Haworthprojektion. Hur hamnar substituenter som sitter till höger i Fischerprojektioner när man använder Haworthprojektioner? 11. Vad är en glykosidbindning? Rita två glukosrester som är sammanbundna med α(1-4)- resp. β(1-4)-bindning. 12. Vilka två glykosidbindningar påträffas i glykogen och vad har glykogen för funktion i kroppen? 13. Vilka monosackarider bygger upp nedan angivna disackarider och hur ser glykosidbindningen ut i resp. sockerart? Rita! Vilken av dessa disackarider kan vi inte bryta ner? a. Sukros b. Maltos c. Isomaltos d. Laktos e. Cellobios 14. Vilken kemisk förening bildas som biprodukt vid omvandling av två monosackarider till en disackarid? 15. Stärkelse är uppbyggd av två olika polysackarider. a. Vilka är dessa och i vilka proportioner ingår de i stärkelsen? b. Beskriv skillnaden i dessa polysackariders struktur. c. Hur skiljer sig stärkelse strukturmässigt från glykogen? d. Varför kan vi tillgodogöra oss glukosinnehållet i stärkelse, men inte i cellulosa? 6
16. Hur är cellulosa uppbyggt? Vad skiljer denna molekyl från stärkelse? Varför kan vi inte tillgodogöra oss energi från cellulosa? 17. Oxidation av 1:a resp. 6:e kolatomen i glukos ger upphov till karboxylsyror. Vad heter dessa? 18. Om 2:a kolatomen i ribos reduceras vilket socker får man då? 19. Redogör kortfattat för nedanstående heteroglykaners struktur med avseende på ingående monosackaridenheter, substituenter, funktion och förekomst. a. Hyaluronsyra b. Heparin c. Kondroitinsulfat 20. Beskriv proteoglykanernas principiella uppbyggnad och funktion. Vad skiljer i den principiella uppbyggnaden av proteoglykaner och glykoproteiner? 21. Vad innebär glykosylering respektive glykering? Instuderingsfrågor: Lipider 1. Vad innebär det att en förening klassas som en lipid? Förklara kortfattat! 2. Rita den allmänna strukturformeln för en fettsyra. Hur är lipider principiellt uppbyggda? 3. Finns det någon principiell skillnad mellan fettsyror och karboxylsyror t.ex. ättiksyra? Rita en karboxylgrupp! 4. Vad menas med en fettsyras α-, ß- resp. ω-kol? Hur är detta beteckningssätt relaterat till det numeriska beteckningssättet (1, 2 o.s.v.)? 5. Vad menas med mättade respektive omättade (enkel- och fler-omättade) fettsyror? 6. Vilken konfiguration har dubbelbindningarna i de omättade fettsyrorna i vår kropp? Definiera isomeribegreppen cis och trans [nyare och mera generell nomenklatur E/Z]. 7. Ange antal kol och dubbelbindningar i följande fettsyror. Mellan vilka kol sitter dubbelbindningarna? antal kol antal dubbelbindningar mellan vilka kol a. Linolsyra b. Palmitinsyra c. Oljesyra d. Linolensyra e. Arakidonsyra f. Stearinsyra 8. Vilka är de essentiella fettsyrorna och vad menas med begreppet? 9. Beskriv strukturen för triacylglycerol (triglycerid) genom en enkel skiss. 10. Förklara vad som menas med begreppet stereospecifik numrering (sn-). 11. Vilka produkter bildas vid lipolysen, d.v.s. nedbrytningen av triacylglyeroler i fettvävnad? 12. Fettsyresammansättningen i glycerofosfolipider är "asymmetrisk". Vilken typ av fettsyror sitter oftast vid C-1 respektive C-2 av glycerolskelettet? Hur påverkas smälttemperaturen hos triacylglyceroler av förekomsten av dubbelbindningar i de ingående fettsyrorna? 13. Rita strukturformeln för kolesterol samt ange beteckningar för ringarna. 7
14. Kolesterolderivatet östrogen bildas från testosteron genom flera strukturomvandlingar bl.a. genom att A-ringen i kolesterol aromatiseras. Vad menas med att en förening är aromatisk och vilken kemisk struktur innehåller aromater? Konjugerade dubbelbindningar finns i denna struktur. Vad menas med detta? (se också instuderingsfråga 12 aminosyror och peptider ). 15. Beskriv den principiella uppbyggnaden av sfingosin, ceramid och sfingomyelin. 16. Beskriv den principiella uppbyggnaden av sfingofosfolipider och glykolipider. 17. Gå igenom den principiella strukturen hos olika klasser av lipider och diskutera likheter och olikheter? [18.] Vilka fettsyror oxideras lättast och hur rimmar detta med kostrekommendationer? Reflektera! Instuderingsfrågor: Cellens kemiska grunder 1. Vad finns det för samband mellan begreppen elektronskal och atomorbital? 2. Vad innebär begreppen valenselektroner och oktettregeln? 3. Vad innebär begreppet elektronegativitet och vad har man för nytta av att känna till olika ämnens relativa elektronegativitet? 4. Var i periodiska systemet hittar man de mest respektive minst elektronegativa ämnena och vad indikerar minnesramsan FONClBrISCH? 5. Inom kemin definieras begreppen oxidation respektive reduktion som elektronavgivning respektive elektronupptagning. Inom oorganisk kemi beskrivs detta ofta som syreupptag resp. syreförlust. Inom naturproduktskemin/biokemin och den organiska kemin delar atomer ofta elektroner och här kan man beskriva oxidation och reduktion på ett annat sätt. (Tips: se t.ex. sid 16 i Människokroppens kemi av Ingelman-Sundberg & Persson, Natur o Kultur; se också Alberts et al, 5th ed., sid71) a) Hur? b) Hur beräknas oxidationstal? c) Vid biologiska redox-reaktioner överförs elektroner ofta inte ensamma i vilken form överförs de? 6. Atomer inom en molekyl eller olika molekyler, kan hållas ihop av olika typer av interaktioner/bindningar som dessutom påverkar molekylernas 3D-struktur. a) Namnge och förklara principerna för de olika typerna av intra- respektive inter-molekylära bindningar/interaktioner som förekommer. b) Rangordna dem med avseende på styrka. 7. Kroppen består till 60-70% av vatten varför en förståelse av vattens struktur och egenskaper är av central betydelse. Redogör för vattens struktur och egenskaper! 8. När det gäller styrkan hos jonbindningar så kan denna variera kraftigt beroende på den omgivande miljön (ofta vatten). Vad beror detta på? Vad innebär hydratisering och solvatisering? 9. Du späder en koncentrerad HCl-lösning med destillerat vatten så att slutkoncentrationen blir 1nM med avseende på HCl. Vilket ungefärligt ph har denna lösning? Motivera ditt svar. [10.] De sammanhållande krafterna inom en molekyl är huvudsakligen av kovalent natur. Icke-kovalenta bindningar bidrar också till sammanhållning i biologiska makromolekyler och till 3D-strukturen hos molekylen. I den kovalenta bindningen delar atomerna elektroner i enkel, dubbel eller trippelbindningar. För att detta skall kunna ske måste de ursprungliga atomorbitalerna via s.k. hybridisering (teoretiska orbitaler-hybridorbitaler) förändras/ omvandlas till molekylorbitaler. a) Gå igenom de olika typerna av hybridisering som kan förekomma hos kolatomen och tänk på den 3D-utbredning dessa hybridorbitaler har och hur dessa kan hjälpa till att förklara molekylers lokala struktur. b) Studera elektronutfyllnadsdiagrammen för de olika typerna av hybridiseringar och hur energinivåerna förändras vid hybridiseringar. 8
Seminarium 2: Buffertar i kroppsvätskor Mål: Syrabas i människokroppen handlar mycket om att förstå hur kroppsvätskornas buffertar (vätekarbonatbuffert, fosfatbuffert, protein) fungerar. Dessa är av stor betydelse för att hålla ph relativt konstant, vilket är viktigt för proteiners struktur och funktion, vilket i sin tur är livsavgörande för cellen och organismen. Buffertarna har vidare stor betydelse för blodets gastransport (syrgas, koldioxid) som ju blir särskilt intensiv vid fysisk ansträngning (Vätternrundan). För tandläkaren är ph, och buffringen av ph, i munhålans saliv av särskilt intresse, då tandmineralets (hydroxyapatitens) löslighet är ph-beroende, samt då buffringen av ph i saliv är en del i munhålans bakterieskydd (karies). 1. Intracellulär vätska innehåller mycket fosfat som bidrar till att buffra ph. Dels fria fosfatjoner, men desto mera fosfatgrupper på olika biomolekyler (t.ex. ATP). En liter fosforsyra av okänd koncentration titrerades med 0,1 M NaOH. Den färgade indikatorn hade ett omslagsintervall vid ph 9,0-9,5. När indikatorn slog om, hade man tillsatt 35 ml NaOH. Vad var fosforsyrans koncentration? Fosfatbuffert-systemet består alltså av tre syrabas-par. Vilket av dessa är betydelsefullt för reglering av ph i organismen? 2. Vätekarbonatbuffert finns i alla våra kroppsvätskor (ICV, ISV, plasma). Till 1 liter bikarbonatbuffert (ph 7,40, [HCO 3 -] = 24 mm, p CO2 = 5,3 kpa) sätts 3,5 mmol HCl. Löslighetskonstanten för CO 2 i vattenlösningen var 0,23 under rådande betingelser. a) Vilken blir ph-förändringen i ett slutet system, där p CO2 initialt var 5,3 kpa? b) Vilken blir ph-förändringen i ett öppet system, som kontinuerligt bubblas med gas med p CO2 = 5,3 kpa? Hur kan vi alltså reglera ph i organismen, genom andningen? 3. Vilka funktionella grupper på proteinmolekyler kan fungera som buffrande baser, och vilken är den viktigaste vid fysiologisk ph-reglering? Vad är proteinhalten i de olika vätskerummen? Vilket vätskerum har högst halt protein? 4. Vilka två proteiner finns det mest av i blod? I vilka vätskerum föreligger dessa, vad är deras koncentrationer? Förutom att bidra till buffring av ph, vilka andra funktioner har dessa proteiner? Uppgifter 5 och 6 gås igenom i mån av tid. 5. Vilken koncentration måste en fosfatbuffert (volym 60 ml, ph 7,8) minst ha för att ph ej skall minska med mera än 0,15 ph-enheter vid tillsats av 2 mmol protoner? 6. Ange två olika sätt att blanda 1 liter 0,7 M fosfatbuffert, ph 7,2, med hjälp av följande lösningar samt vatten. 2,0 M Na 3 PO 4 2,5 M H 3 PO 4 3,0 M HCl 3,0 M NaOH 9
Facit. 1. 1,75 mm. Vid fysiologiskt ph (nära ph = 7) fungerar syrabas-paret H 2 PO 4 - / HPO 4 2-. 2. a) 0,66 ph-enheter; b) 0,07 ph-enheter. Genom andningen kan vi reglera blodets halt av korresponderande syra i vätekarbonatbufferten (CO 2, H 2 CO 3 ). Mera förklaring hittas i exempel 1-16 samt 1-17, i kompendiebokens syrabas-kapitel! 3. Se boken Syror och baser. av Rådmark & Wetterholm, avsnitt 1.8.8, tabell 1:8. 4. Hemoglobin, finns i de röda blodkropparnas intracellulära vätska. Tetramert protein med en hem i varje subenhet, två α- och två ß-subenheter, 4 x 16.000. 115-147 g/ l i helblod för kvinnor, 131-163 g/ l i helblod för män. Innehåller hem (järn komplexbundet till protoporfyrinskelett) som kan binda syrgas. Fungerar även som buffert, samt som transportör för koldioxid. Albumin finns i blodets plasma. Ett monomert protein (alltså en kedja), MW ca 70 kda. Koncentration i blodplasma ca 40 g/l. Bildas i levern. Transporterar fettsyror i blodplasma. Viktigaste plasmaprotein för bibehållande av det kolloidosmotiska trycket. Bidrar, liksom alla proteiner, även till buffring av ph. 5. 1,01 M 6. Bufferten skall bestå av 0,50 mol bas och 0,20 mol syra. Kan åstadkommas t ex på följande två sätt: a) Blanda 350 ml 2,0 M Na 3 PO 4 med 300 ml 3,0 M HCl, tillsätt 350 ml H 2 O så att totalvolymen blir 1 liter. b) Blanda 280 ml 2,5 M H 3 PO 4 med 400 ml 3,0 M NaOH, tillsätt 320 ml H 2 O så att totalvolymen blir 1 liter. 10
Seminarium 3: Aminosyror, proteiner, enzymer, cofaktorer och energi I mag-tarmkanalen bryts proteinerna i födan ned till aminosyror eller korta dioch tripeptider. Efter absorption och transport via blodbanan kan aminosyrorna användas som byggstenar för nya proteiner t.ex. muskelproteiner, hemoglobin, kollagen och alkoholmetaboliserande enzymer, men också för att bilda peptidhormoner (t.ex. sekretin, cholecystokinin samt glukagon och insulin) eller för att bilda stresshormonet adrenalin, som är ett aminosyraderivat. Proteiners funktion är beroende av den tredimensionella strukturen. Denna bestäms i sin tur av vilka bindningar som kan uppstå vilket bestäms av aminosyrorna i proteinkedjan - primärstrukturen. Om mutationer i aminosyrasekvensen uppstår kan detta påverka proteinets struktur och därmed också dess funktion, och förutsättningarna att interagera med andra proteiner och molekyler. OBS!! En kort paus (ca 5min) rekommenderas efter ca halva seminarietiden. Vilka bindningar håller ihop ett protein exemplifiera med olika aminosyror? Vilka bindningar kan finnas mellan proteinet och miljön, och hur är miljön organiserad (vattenmolekyler, salter, om proteinet är t.ex. ett transmembrant protein)? Redogör för hur olika bindningar stabiliserar hemoglobins (Hbs) struktur; utgå från proteiners strukturnivåer! Hur förändras bindningsmönstret och affiniteten för syre under funktionscykeln för hemoglobin? Vad kallas det sätt varpå syre påverkar hemoglobinets affinitet för andra syremolekyler? Många av kroppens hormoner såsom glukagon och adrenalin binder till membranreceptorer, som karaktäriseras av att de innehåller sju hydrofoba transmembran-helixar (7TM). Diskutera hur ett receptorprotein av 7TM-typ är organiserat med avseende på N- och C-terminal, olika domäner, aminosyrarester i de transmembrana helixarna, sidokedjors orientering. Diskutera sedan hur två tänkta mutationerna kan tänkas påverka struktur och bindning hos ett receptorprotein av denna typ: Met146Asp (en Met i position 146 har ersatts med en Asp i denna position) i den andra transmembrana helixen respektive mutationen His163Tyr i den första extracellulära loopen. 11
För nedbrytning och absorption av våra näringsämnen i matsmältningskanalen behövs många olika biologiska katalysatorer (enzymer) och för uppbyggnad av komplexa molekyler såsom proteiner och DNA, krävs inte bara enzymer utan också energitillförsel. En del av den energi som behövs erhålls från så kallade högenergiföreningar (i första hand ATP), som ofta innehåller bindningar till fosfat (fosfoesterbindningar). Då vissa fosfoesterbindningar, men också andra speciella kovalenta bindningar klyvs, frigörs extra mycket energi som kan användas i enzymatiska reaktioner för att bygga upp komplexa molekyler. Enzymer behöver ofta, men inte alltid, hjälp av olika cofaktorer för att kunna fungera som biologiska katalysatorer. Gå igenom den principiella uppbyggnaden av ATP samt strukturen hos fosfatjonen och pyrofosfat (se kompendiematerialets bokutdrag ur E.E.)! Gå igenom hydrolysreaktionerna för pyrofosfat, ATP, acylfosfatanhydrid (t.ex.1,3- bisfosfoglycerat)! Diskutera skillnader i frigjord energi i relation till faktorer som styr ämnens reaktionsbenägenhet (se kompendiematerialets bokutdrag ur E.E.)! Enzymer behöver ha olika aktivitet i olika celler och vid skilda tidpunkter. Regleringen kan ske på olika sätt. Två viktiga sätt är kovalent modifiering och alloster reglering. Gå igenom principerna för dessa! Vilka andra sätt finns det att reglera enzymaktiviteten? Vår kropp behöver vitaminer och spårämnen av olika slag för sin normala funktion. Vad finns det för samband mellan vitaminer, cofaktorer, enzymer och proteiner? Vilka spårämnen känner du till och vad kan de tänkas ha för olika funktioner? Gå igenom de olika enzymklasserna (se HF sid 53) och fundera över vad som händer kemiskt i de katalyserade reaktionerna. Ge minst ett exempel på enzymatiska reaktioner för varje enzymklass genom att titta igenom boken (t.ex. glykolysen; se HF sid 98-101)! 12
Instuderingsfrågor: Aminosyror och proteiner 1. Proteiner är makromolekyler, uppbyggda av repeterande enheter, aminosyror (aminosyrarester). Vilka kemiska grupper består aminosyror av? 2. Varför är aminosyror optiskt aktiva? Förekommer L- eller D-aminosyror i proteiner i människokroppen? Det finns ett annat system för att indikera optisk aktivitet R/S-systemet. [Vad är principen för detta system och vad finns det för fördel med detta system kontra L/D-systemet?] 3. Aminosyror är amfolyter eller s.k. zwitterjoner. Vad menas med dessa begrepp? Beskriv hur amino- och karboxylgruppens laddning varierar med ph. 4. Aminosyrorna brukar indelas i tre grupper efter sidokedjans laddning vid ph 5,5: neutrala, sura och basiska. Vilka aminosyror hör till respektive grupp? OBS! När aminosyrarester ingår i proteiner kan laddningen bli en helt annan beroende på bl.a. induktiva effekter i proteinet som påverkar pka-värdet hos olika funktionella grupper. 5. De neutrala aminosyrorna delas ibland in i två subgrupper: neutrala-hydrofila (polära) och neutrala-hydrofoba (opolära). Vilka aminosyror passar in i respektive subgrupp? Vilka är grenade? 6. Av de tjugo aminosyror som förekommer i de proteiner vi har i kroppen, saknar vi förmåga att syntetisera åtta. Dessa måste tillföras via kosten (kött, fisk, sojaböner etc). Vilka är dessa essentiella aminosyror? Av de tio aminosyror som i klassas som essentiella är arginin och histidin inte äkta essentiella. De kan syntetiseras i kroppen men måste tillföras under perioder av kraftig tillväxt, d.v.s. till barn. 7. På vilket sätt skiljer sig prolin från de övriga aminosyrorna? Hur påverkar Pro ofta ett proteins sekundärstruktur? 8. Vilka av de tjugo aminosyrorna innehåller en hydroxylgrupp? 9. Vissa aminsoyror kan modifieras posttranslationellt. Proteinet kollagen innehåller hydroxylerade derivat av två aminosyror. Vilka aminosyror hydroxyleras i kollagen? 10. Vilka två aminosyror innehåller svavel? Jämför deras egenskaper! 11. Vilka är de aromatiska aminosyrorna? En viktig egenskap hos dessa är att de (framför allt Trp) specifikt absorberar UV-ljus vid 280 nm. Därigenom kan proteiner detekteras genom att UV-absorbansen avläses. 12. Binjuremärgshormonerna (adrenalin och noradrenalin) samt sköldkörtelhormonet tyroxin bildas från en aromatisk aminosyra. Vilken? 13. Endast en aminosyra buffrar i närheten av neutralt "fysiologiskt" ph. Vilken? 14. Aminosyrarester förenas genom peptidbindningar. Vilken kemisk förening bildas som biprodukt vid omvandling av två aminosyror till en dipeptid? 15. Ange några karakteristika för peptidbindningen med avseende på struktur och egenskaper. Förklara! Vad är en isopeptidbindning resp. amidbindning? 16. Beskriv α-helixen, β-pleated sheet och kollagenhelixen. 17. Varför intar ett protein en sekundärstruktur? 18. Vilken sorts bindning stabiliserar sekundärstrukturen? 19. Vad är en "loop"? Vad skiljer en loop från en ß-bend / ß-turn? 20. Nämn några faktorer som kan hindra en polypeptidkedja från att inta en α-helixstruktur. 21. Vad menas med begreppen supersekundärstruktur (motiv) och domän (modul)? 22. Vad menas med begreppen tertiärstruktur, kvartenärstruktur och subenhet? 13
23. Vilka aminosyror kan delta i jonbindningar mellan polypeptidkedjor eller mellan protein (enzym) och substrat? 24. Vad skiljer aminosyrornas fördelning i ett membranprotein jämfört med ett lösligt protein? Varför? 25. Vad är skillnaden mellan vätebindningarna i α-helix och β-pleated sheet? Vad är skillnaden mellan vätebindningar i dessa sekundärstrukturer och vätebindningar som håller ihop tertiär- och kvartenärstrukturer. 26. Vad menas med begreppet hydrofob interaktion? 27. Proteiner brukar ibland indelas i olika grupper - globulära (runda, vattenlösliga), fibrösa (utsträckta, vattenolösliga) och membranbundna. Till vilken grupp hör proteinerna kollagen, myoglobin, ATP-syntas resp. ribonukleas? 28. Hur kan ett globulärt protein vara vattenlösligt trots att primärstrukturen innehåller aminosyror med opolära sidokedjor? 29. Ett protein kan bestå av flera polypeptidkedjor, som kan vara associerade med hydrofoba interaktioner, ickekovalenta bindningar (vätebindningar, jonbindningar och van der Waals-bindningar) och/eller med kovalenta bindningar (disulfidbryggor),. Hur bryter man dessa olika bindningar? 30. Vad menas med begreppen denaturering och "random coil"? 31. Många proteiner innehåller s.k. prostetiska grupper. Vad är det? 32. Vad är ett apoprotein? 33. Vad är ett holoprotein? 34. En aminosyra kan under translationen omvandlas till selenocystein. Vilken? Vad händer? 35. Vad finns det för fördel med E/Z-systemet kontra cis/trans? Vad är E respektive Z förkortning för? 36. I de röda blodkropparna omvandlas högenergiföreningen 1,3-bisfosfo-glycerat till en förening som har stor betydelse för syrgastransporten. Vilken är föreningen och vad har den för funktion? Vad finns det för andra föreningar som kan påverka Hbs affinitet för syre. Vad kallas denna typ av reglering? Diskutera också i detta sammanhang vad som skiljer det fetala från den vuxna individens Hb (HbF vs HbA). Instuderingsfrågor: Enzymer, cofaktorer och vitaminer 1. Vad gör ett enzym ur termodynamisk synpunkt? 2. Redogör för begreppen aktiv yta ("active site") och specificitet hos enzym. Vilka funktionella enheter/komponenter ingår i ett enzyms aktiva yta? 3. Vilka bindningstyper är viktiga vid bindningen mellan enzym och substrat? 4. Vad är den kritiska förutsättningen för härledning av Michaelis-Mentens ekvation? 5. Vad innebär steady-state? 6. För beräkning av enzymkinetik används vanligen Michaelis-Mentens resp. [Lineweaver-Burk ekvationer.] Redogör grafiskt för dessa ekvationer (t.ex. skärningar med X- resp. Y-axlar, lutning, K m, V max ). 7. Vad är K m ofta ett mått på? Vilken enhet/sort anges K m i? 8. Vad menas med turnover rate (omsättningstal)? 9. Vad är skillnaden mellan reversibel och irreversibel inhibering/hämning? 14
10. Redogör för kompetitiv resp. nonkompetitiv inhibering/hämning. Hur kan man avgöra vilken typ av hämning som föreligger utifrån ett Lineweaver-Burk diagram? Hur påverkas K m och V max vid de två olika typerna av hämning? 11. Hur påverkar ph enzymaktiviteten? 12. Hur påverkar temperaturen enzymaktiviteten? 13. Vad är isoenzymer? Ge ett exempel på isoenzymer i glykolysen samt ange hur de skiljer sig åt med avseende på K m. 14. Vad är ett zymogen? 15. Vad är skillnaden mellan produktinhibering och feed-back inhibering? 16. Hur fungerar allostera enzym kinetiskt? Rita! 17. Definiera: a) cofaktor b) prostetisk grupp c) holoenzym d) apoenzym e) coenzym f) vitamin g) spårämne h) metall 18. I vilka två huvudgrupper indelas cofaktorer? Ge ett exempel på vardera typen. 19. Från vilka för människan essentiella ämnen bildas coenzymer? 20. I vilka två huvudgrupper indelas coenzymer? 21. Vilka av enzymens huvudklasser är vanligen beroende av coenzym för att katalysera en reaktion? 22. Redogör i stort för skillnaden mellan de vattenlösliga vitaminerna och deras motsvarande coenzym. 23. Vilket/vilka vitaminer fungerar själva som coenzym? 24. Vilka coenzym bildas från vitaminer genom att dessa bl.a. binder en eller flera nukleotider? 25. Vilka funktioner har cobalaminerna? 26. Redogör för den principiella uppbyggnaden av de hydrid (elektron+väteatom) överförande coenzymerna. Till vilken del av molekylen överförs hydridjonerna? 27. Vilka funktioner har askorbinsyra? 28. Vår kropp behöver vitaminer och spårämnen av olika slag för sin normala funktion. Vad finns det för samband mellan vitaminer, cofaktorer, enzymer och proteiner? Vilka spårämnen känner Du till och vad kan de tänkas ha för olika funktioner? 29. Vad innebär det att ett enzym är ett endopeptidas respektive exopeptidas? 30. I vilka sex huvudklasser indelas enzymer och vilka principiell reaktioner katalyseras av enzymer tillhörande respektive klass? 31. Till vilken enzymklass räknas glukosidaser respektive proteaser? I vilka fyra undergrupper indelas proteaserna? 32. Frågor rörande katalytiska mekanismen hos lysozym. a) Vad innebär enzymmodellen lock and key vilket exemplifieras av lysozym? b) Vilken verkan har lysozym? c) Vad är en katalytisk grupp? d) Hur inverkar ph på de postulerade katalytiska grupperna hos lysozym? 15
33. Frågor rörande katalytiska mekanismen hos carboxypeptidas A. a) Vad innebär enzymmodellen induced fit vilket exemplifieras av detta enzym? b) Vilken verkan har carboxypeptidas A? c) Vilken cofaktor krävs för carboxypeptidasaktivitet och hur är den bunden? d) Hur deltar cofaktorn i den katalytiska processen? 34. Efter vilka aminosyror klyver digestionsenzymerna trypsin samt kymotrypsin och koagulationsfaktorn trombin? Hur verkar serinproteaser? 35. Ett sätt att reglera enzymaktiviteten är genom protein-protein-interaktioner (proteinaktivatorer/proteininhibitorer) t.ex. G a -adenylcyklas). Calmodulin, som är ett kalciumbindande protein, är annat exempel på proteinaktivator. Lactalbumin som behövs i samband med syntesen av laktos (mjölksocker) är ett intressant specialfall bland proteinaktivatorer då det ändrar enzymets specificitet. Studera hur dessa proteinaktivatorer fungerar och diskutera hur de kan tänkas binda och interagera med respektive enzym! Instuderingsfrågor: Cellens reaktioner (energiomvandlingar) Alla livsyttringar är förbundna med energiomvandlingar och för att beskriva och förklara t.ex. biologiska skeenden eller kemiska reaktioner behöver vi termer för att beskriva dessa energiomvandlingar. Detta behandlas inom termodynamiken. 1. Vad är entalpi? Vad kännetecknar en reaktion där ΔH<0? 2. Ge exempel på något som kan ske spontant trots att värme ej avges. 3. Vad är entropi? 4. Hur definieras ändringen i (Gibbs) fria energi för en reaktion? Diskutera hur de ingående komponenterna inverkar på dess storlek. Vad kännetecknar en spontan reaktion? Hur definieras standardtillståndet? 5. Skriv massverkans lag för reaktionen ATP ADP + P i 6. Hur kan reaktioner i cellen ske trots att de har positivt ΔG? 7. ATP är en så kallade högenergiförening, vad avses med detta? Ge exempel på andra högenergiföreningar. Vad menar man med detta begrepp? [8.] Många energiomvandlingar i cellen sker genom överföring av elektroner i en serie redoxreaktioner. Växelmynten i detta fall är ofta redoxparet NAD + /NADH. Redoxpar har en viss elektrodpotential som går att bestämma elektrokemiskt. a) Hur kan man bestämma om en redoxprocess kan ske spontant från de ingående redoxparens elektrodpotentialer? b) Vilken energiomvandling är det som ytterst driver allt liv på jorden? c) Hur går det med livet då alla reaktioner har uppnått jämvikt? 16
Räknestuga: Grundläggande syrabas Mål: Att repetera och befästa gymnasiekemin vad gäller syrabasteori. Att känna igen lösningar av stark syra eller bas, av svag syra eller bas, samt buffertar. Att kunna beräkna ph i dessa lösningar. Dessa uppgifter kan gås igenom på egen hand, som instuderingsfrågor. Vid den schemalagda räknestugan finns tillgång till lärarhjälp. 1. a) Beräkna ph i 10 ml 0,05 M HCl. b) Vilken är saltsyrans konc. uttryck i % (w/v)? 2. a) Beräkna ph och poh i 10 ml 0,1 % (w/v) NaOH. b) Vilken är lutens molaritet? 3. Tillämpa massverkans lag på ättiksyras protolys i vatten och ge ett uttryck för jämviktskonstanten för reaktionen. 4. Vad är skillnaden mellan K a och jämviktskonstanten enligt massverkans lag? 5. Beräkna ph i: a) 1% (w/v) Hac. b) NH 4 Cl lösning med konc. 10 g/l (pk a för ammoniumjon är 9,24). c) 0,01 M HCN (vätecyanid). pk a för HCN är 9,1. 6. Beräkna ph i: a) 1% (w/v) morfin (morfin är en enprotonig bas med pk b = 6,1; M r = 285). b) 0,4 M NaAc. c) 0,3 M NH 3. 7. H 2 CO 3 och HCO 3 - är ett korresponderande syrabaspar. a) Vad innebär det? b) Ge minst fem andra exempel på korresponderande syrabaspar. 8. Ange vilket syrabaspar som är aktivt buffrande i en fosfatbuffert vid ph 2,7; vid ph 7,4; respektive vid ph 10,8. 9. Beräkna koncentrationen av syra respektive bas i en 0,2 M fosfatbuffert med ph 7,4. 10. HCl (0,1 mol) sätts till 1 liter fosfatbuffert (0,1 M, ph 7,0). Ange reaktionsformel och beräkna ph. 11. Ange tre principiellt skillda sätt att blanda 0,1 M acetatbuffert ph 5,0. Utgå från stamlösningar (1 M) av HCl, HAc, NaAc, NaOH, samt vatten. 12. Betrakta en lösning av natriumacetat (1 liter, 1 M). a) Vad är ph i lösningen? b) Vad blir ph efter tillsats av HCl (0,5 mol)? Antag att volymen ej ändras. c) Vad blir ph efter tillsats av HCl (1,1 mol)? Antag att volymen ej ändras. 17
Facit: 1a) ph = 1,3 1b) 0,18% 2a) poh = 1,6 2b) 0,025 M 3) K a = [Ac - ] x [H 3 O + ] / [HAc] 4) K a = K x [H 2 O] 5a) Lösningen innehåller 0,167 M ättiksyra. Ger ph = 2,8. 5b) Ammoniumklorid koncentration är 0,187 M. Ger ph 4,98. 5c) ph = 5,6 6a) Koncentration morfin är 0,035 M. Ger poh = 3,8 samt ph = 10,2. 6b) pk b för acetat är 9,24. K b = 5,75 x 10-10. ph = 9,2. 6c) poh = 2,6; ph = 11,4. 7) Se kap. 9 Människokroppens kemi, sida 251. Även komp. Fysikalisk Kemi sida 17. 8) Fosfatbuffertens tre olika korresponderande syrabaspar: Vid ph 2,7: H 3 PO 4 samt H 2 PO 4 - Vid ph 7,4: H 2 PO 4 - samt HPO 4 2- Vid ph 10,8: HPO 4 2- samt PO 4 3-9) [H 2 PO 4 - ] = 0,04 M; [HPO 4 2- ] = 0,16 M 10) ph = 2,4 11) I bufferten: [Ac - ] = 0,0635 M, [HAc] = 0,0365 M 0,0635 liter NaAc samt 0,0365 liter HAc samt 0,9 liter H 2 O 0,0635 liter NaOH samt 0,1 liter HAc samt 0,8365 liter H 2 O 0,1 liter NaAc samt 0,0365 liter HCl samt 0,8635 liter H 2 O 12a) En lösning av svag bas, ph = 9.38 12b) En buffert, ph = 4,76 12c) En lösning av stark syra, ph = 1 18