Opgaver til A7.6

Opgaverne hører til afsnit A7.6 Fra DNA til protein. Prøv selv, før du åbner hjælpen under opgaven. Kapitel A7 er et temakapitel uden for kernestoffet, og opgaverne bruger kernestof fra resten af bogen på DNA.

Opgave A7.6.1: To trin fra DNA til protein

Vejen fra DNA til protein går over to trin: transskription og translation.

  1. Hvilket molekyle dannes ved transskription, og hvilket dannes ved translation?
  2. Hvilke byggesten er mRNA bygget af, og hvilke byggesten er et protein bygget af?
  3. Ved transskription sætter hver ny base i mRNA sig over for en bestemt base i DNA-strengen. Hvilken slags intermolekylær binding holder de to baser sammen?
  4. Hvad hedder bindingen mellem to aminosyrer i et protein, og hvilken reaktionstype danner den?
  5. Hvor mange baser i mRNA svarer til én aminosyre, og hvad kaldes sådan en gruppe af baser?

De to trin står under overskriften “To trin” i afsnit A7.6. Transskription laver en kopi af sekvensen i DNA, og translation oversætter kopien til en kæde af aminosyrer.

Baserne i mRNA og DNA holder sammen på samme måde som baserne i de to strenge i DNA’s dobbeltspiral i afsnit A7.3. Bindingen mellem to aminosyrer dannes mellem en carboxylgruppe og en aminogruppe, og der fraspaltes et vandmolekyle.

  1. Ved transskription dannes mRNA. Ved translation dannes et protein, altså en kæde af aminosyrer.

  2. mRNA er bygget af nucleotider. Hvert nucleotid i mRNA har en phosphatgruppe, sukkeret ribose og en af baserne A, U, G og C. Et protein er bygget af aminosyrer.

  3. Baserne holdes sammen af hydrogenbindinger. Det er baseparring som i DNA’s dobbeltspiral: G i mRNA sætter sig over for C i DNA, C over for G, A over for T, og U over for A.

  4. Bindingen hedder en peptidbinding. Den dannes ved en kondensation: carboxylgruppen i den ene aminosyre reagerer med aminogruppen i den næste, og der fraspaltes et vandmolekyle.

  5. Tre baser i mRNA svarer til én aminosyre. Tre baser i træk kaldes et codon.

Opgave A7.6.2: DNA og mRNA som molekyler

Figuren viser to sukkerstoffer og to baser. Det ene sukker og den ene base findes i DNA, og de to andre findes i mRNA.

Figur 1: To sukkerstoffer, 1 og 2, og to baser, 3 og 4.
  1. Hvilket af de to sukkerstoffer er ribose, og hvilket er deoxyribose? Hvad er forskellen på dem?
  2. Hvilken af de to baser er thymin, og hvilken er uracil? Hvilken gruppe er forskellen på dem?
  3. Skriv, hvilket sukker og hvilken af de to baser der findes i DNA, og hvilke der findes i mRNA. Skriv også, hvor mange strenge DNA og mRNA har.
  4. Thymin og uracil parrer begge med adenin. Forklar, hvorfor methylgruppen i thymin ikke ændrer på baseparringen. Brug figuren med de to basepar i afsnit A7.3.
  5. mRNA er meget mindre holdbart end DNA. Hvilken gruppe i figuren er forklaringen, og hvilken binding i mRNA-strengen hjælper gruppen med at spalte?

Tæl OH-grupperne på de to sukkerstoffer i figuren, og find carbonatom 2′. Sammenlign derefter de to baser i figuren atom for atom. Den ene base har en gruppe, som den anden mangler.

Deoxy betyder “uden oxygen”, så deoxyribose har en OH-gruppe mindre end ribose.

En hydrogenbinding kræver et hydrogenatom på N eller O i den ene gruppe og et N eller O med et ledigt elektronpar i den anden. Se, om methylgruppen i thymin kan være med i en hydrogenbinding, og om den sidder på den kant af thymin, der vender mod adenin.

Du kan begynde forklaringen sådan: “Methylgruppen i thymin består kun af …, så den kan hverken … Hydrogenbindingerne til adenin dannes af …, og de grupper er …”

  1. Sukker 1 er ribose, og sukker 2 er deoxyribose. Ribose har en OH-gruppe på carbonatom 2′. I deoxyribose sidder der et hydrogenatom i stedet.

  2. Base 3 er thymin, og base 4 er uracil. Thymin har en methylgruppe, −CH3, på ringen. Uracil har et hydrogenatom på den plads. Resten af de to baser er ens.

  3. Forskellene på DNA og mRNA er

DNA mRNA
Sukker deoxyribose (sukker 2) ribose (sukker 1)
Base thymin (base 3) uracil (base 4)
Strenge to én

De tre andre baser, A, G og C, findes i både DNA og mRNA.

  1. Methylgruppen i thymin består kun af carbon og hydrogen. Den er upolær og kan hverken give et hydrogenatom til en hydrogenbinding eller tage imod med et ledigt elektronpar. Den sidder desuden på den side af ringen, der vender væk fra adenin. Hydrogenbindingerne til adenin dannes af en N−H-gruppe og en carbonylgruppe, og de to grupper er ens i thymin og uracil. Derfor parrer både thymin og uracil med adenin med 2 hydrogenbindinger.

  2. Forklaringen er OH-gruppen på carbonatom 2′ i ribose. Den sidder lige ved siden af phosphodiesterbindingen, som binder nucleotiderne sammen i mRNA-strengen, og den kan hjælpe med at spalte bindingen. Deoxyribose har ingen OH-gruppe på carbonatom 2′, og derfor er DNA meget mere holdbart end mRNA.

Opgave A7.6.3: Fra den kodende streng til aminosyrer

Et stykke af den kodende streng i et gen har sekvensen 5′-ATGAAAGATTTCTGA-3′.

  1. Opskriv sekvensen i mRNA.
  2. Del sekvensen i mRNA i codons fra 5′-enden, og find aminosyrerne i tabellen over den genetiske kode i afsnit A7.6.
  3. Hvor mange aminosyrer er der i den kæde, der dannes, og hvor mange peptidbindinger holder kæden sammen?
  4. Hvilke af kædens aminosyrer har en sidekæde, der er ladet ved pH 7? Brug tabellen over sidekæder i afsnit A6.1.

mRNA har samme sekvens som den kodende streng i DNA, blot med U i stedet for T. Et codon er tre baser i træk i mRNA.

Det første codon i mRNA er AUG. I tabellen over den genetiske kode finder du rækken med de to første baser, AU, og kolonnen med den tredje base, G. Dér står Met, som er methionin. Fortsæt med de næste tre baser i mRNA. Et stopsignal er ikke en aminosyre.

I tabellen over sidekæder i afsnit A6.1 er en carboxylgruppe på formen −COO− ved pH 7, og en aminogruppe er på formen −NH3+. Methionin står ikke i tabellen. Sidekæden i methionin er en carbonkæde med et svovlatom, −CH2−CH2−S−CH3.

  1. mRNA har samme sekvens som den kodende streng med U i stedet for T: 5′-AUGAAAGAUUUCUGA-3′.

  2. Sekvensen i mRNA deles i codons fra 5′-enden, og hvert codon slås op i tabellen over den genetiske kode.

Codon AUG AAA GAU UUC UGA
Aminosyre Met Lys Asp Phe stop

Stykket giver kæden methionin, lysin, asparaginsyre og phenylalanin, og derefter stopper kæden.

  1. Kæden har 4 aminosyrer. De holdes sammen af 3 peptidbindinger, én mellem hver to naboer i kæden.

  2. Lysin har en aminogruppe i sidekæden. Ved pH 7 er den på formen −NH3+, så sidekæden i lysin er positivt ladet. Asparaginsyre har en carboxylgruppe i sidekæden. Ved pH 7 er den på formen −COO−, så sidekæden i asparaginsyre er negativt ladet. Sidekæderne i methionin og phenylalanin har hverken en carboxylgruppe eller en aminogruppe, så de har ingen ladning.

Opgave A7.6.4: 64 codons og 20 aminosyrer

mRNA har fire forskellige baser, og proteiner er bygget af 20 forskellige aminosyrer.

  1. Hvor mange forskellige codons ville der være, hvis et codon kun havde to baser? Forklar, hvorfor det ikke er nok.
  2. Vis med en beregning, at der findes 64 forskellige codons med tre baser.
  3. Find i tabellen over den genetiske kode i afsnit A7.6, hvor mange codons der står for leucin (Leu), for alanin (Ala) og for tryptophan (Trp).
  4. Tre af de 64 codons er stopsignaler. Hvor mange codons står for en aminosyre? Forklar, hvorfor flere codons må stå for den samme aminosyre.
  5. Et protein har 120 aminosyrer. Hvor mange baser i mRNA svarer det til, når stopsignalet tælles med?

Hver plads i et codon kan have én af de fire baser A, U, G og C. Antallet af forskellige codons er 4 ganget med sig selv én gang for hver plads i codonet.

Et codon med to pladser kan skrives på 4 · 4 måder. Sammenlign det tal med de 20 aminosyrer.

I tabellen over den genetiske kode står leucin i to forskellige rækker, så se hele tabellen igennem.

Du kan begynde forklaringen om de mange codons sådan: “Der er … codons, som står for en aminosyre, men kun … aminosyrer, så …”

Hver aminosyre i et protein kræver ét codon på tre baser i mRNA, og stopsignalet er også ét codon.

  1. Med to baser i hvert codon ville der være 4 gange 4, altså 16 forskellige codons. Det er færre end de 20 aminosyrer, så nogle aminosyrer ville ikke få deres eget codon.

  2. Hver af de tre pladser i et codon kan have fire forskellige baser. Det giver 4 gange 4 gange 4, altså 64 forskellige codons.

  3. Leucin har 6 codons: UUA, UUG, CUU, CUC, CUA og CUG. Alanin har 4 codons: GCU, GCC, GCA og GCG. Tryptophan har kun 1 codon: UGG.

  4. Når de 3 stopcodons trækkes fra de 64, er der 61 codons, som står for en aminosyre. De 61 codons skal deles mellem kun 20 aminosyrer, så de fleste aminosyrer har flere codons. Tit er det kun den tredje base, der er forskellig, som i de fire codons for alanin.

  5. Et protein med 120 aminosyrer kræver 120 codons og ét stopsignal, altså 121 codons. Hvert codon er 3 baser, så det svarer til 363 baser i mRNA.

Opgave A7.6.5: Peptidbindinger og vandmolekyler

Aminosyrerne glycin, H2N−CH2−COOH, og serin, H2N−CH(CH2OH)−COOH, kan bindes sammen til dipeptidet Gly-Ser. I Gly-Ser er det glycin, der har den frie aminogruppe.

  1. Opskriv reaktionsskemaet for dannelsen af dipeptidet Gly-Ser.
  2. Angiv reaktionstypen, og angiv navnet på den funktionelle gruppe, der dannes.
  3. Beregn molarmassen af dipeptidet Gly-Ser. Molarmasserne er 75,07 g/mol for glycin, 105,10 g/mol for serin og 18,02 g/mol for vand.
  4. Hvor mange vandmolekyler fraspaltes, når der dannes en kæde af 4 aminosyrer? Og når der dannes en kæde af n aminosyrer?
  5. Hormonet glucagon er en kæde af 29 aminosyrer. Hvor mange vandmolekyler bruges der, når et molekyle glucagon spaltes helt til aminosyrer, og hvad hedder reaktionstypen?

I dipeptidet Gly-Ser har carboxylgruppen i glycin reageret med aminogruppen i serin. Carboxylgruppen afgiver −OH, og aminogruppen afgiver −H.

Tegn en kæde af 4 aminosyrer som fire kugler på en snor, og tæl bindingerne mellem kuglerne.

Bindingen mellem glycin og serin i dipeptidet er −CO−NH−. For hver peptidbinding, der dannes, fraspaltes ét vandmolekyle. Molarmassen af dipeptidet Gly-Ser er derfor summen af de to aminosyrers molarmasser minus molarmassen af vand.

Når en kæde af aminosyrer spaltes igen, bruges der ét vandmolekyle for hver peptidbinding.

  1. Carboxylgruppen i glycin reagerer med aminogruppen i serin:

H2N−CH2−COOH + H2N−CH(CH2OH)−COOH → H2N−CH2−CO−NH−CH(CH2OH)−COOH + H2O

  1. Reaktionen er en kondensation: to molekyler sættes sammen til ét, og der fraspaltes et vandmolekyle. Den nye gruppe, −CO−NH−, er en amidgruppe. Bindingen mellem to aminosyrer kaldes en peptidbinding.

  2. Dipeptidet Gly-Ser er dannet af ét molekyle glycin og ét molekyle serin, og der er fraspaltet ét vandmolekyle.

\[ M(\text{Gly-Ser}) = 75{,}07\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}} + 105{,}10\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}} - 18{,}02\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}} = 162{,}15\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}} \]

Molarmassen af dipeptidet Gly-Ser er 162,15 g/mol.

  1. n angiver her antallet af aminosyrer i kæden. En kæde af 4 aminosyrer har 3 peptidbindinger, så der fraspaltes 3 vandmolekyler. En kæde af n aminosyrer har n − 1 peptidbindinger, så der fraspaltes n − 1 vandmolekyler.

  2. Glucagon har 29 aminosyrer og dermed 28 peptidbindinger, én færre end antallet af aminosyrer. Der bruges ét vandmolekyle for hver peptidbinding, altså 28 vandmolekyler for hvert molekyle glucagon. Reaktionen er en hydrolyse, som er det modsatte af en kondensation.

Opgave A7.6.6: Én base skiftes ud

I den kodende streng i et gen står codonet TAC. Tabellen viser tre mutationer, hvor én base i codonet TAC er skiftet ud med en anden.

Mutation Codon i DNA før Codon i DNA efter
1 TAC TAT
2 TAC TTC
3 TAC TAA
  1. Opskriv codonet i mRNA før mutationen, og find aminosyren i tabellen over den genetiske kode i afsnit A7.6.
  2. Opskriv codonet i mRNA efter hver af de tre mutationer, og find ud af, hvad hvert codon står for.
  3. Hvilken af de tre mutationer ændrer ikke proteinet? Forklar hvorfor.
  4. Hvilken af de tre mutationer skifter én aminosyre ud med en anden? Find de to aminosyrer i tabellen over sidekæder i afsnit A6.1, og forklar, hvilken slags binding den nye sidekæde ikke kan danne.
  5. Hvilken af de tre mutationer giver en kortere kæde af aminosyrer? Forklar hvorfor.

Skriv hvert codon fra DNA om til mRNA ved at skifte T ud med U. Slå derefter codonet op i tabellen over den genetiske kode: de to første baser giver rækken, og den tredje base giver kolonnen.

Codonet TAC i DNA bliver til UAC i mRNA, og UAC står for tyrosin (Tyr). En mutation i et codon kan give tre ting: et codon for den samme aminosyre, et codon for en anden aminosyre eller et stopsignal.

Sidekæden i tyrosin er −CH2−C6H4−OH, og sidekæden i phenylalanin er −CH2−C6H5.

Du kan begynde de to forklaringer sådan: “De to codons … og … står begge for …, så kæden af aminosyrer …” og “Codonet … er et stopsignal, så kæden …”

  1. Codonet TAC i DNA bliver til UAC i mRNA. UAC står for tyrosin (Tyr).

  2. De tre codons efter mutationerne er

Mutation Codon i DNA Codon i mRNA Står for
1 TAT UAU tyrosin (Tyr)
2 TTC UUC phenylalanin (Phe)
3 TAA UAA stop

  1. Mutation 1 ændrer ikke proteinet. De to codons UAC og UAU står begge for tyrosin, så kæden af aminosyrer er den samme, som den var før mutationen.

  2. Mutation 2 skifter tyrosin ud med phenylalanin. Sidekæden i tyrosin har en hydroxygruppe på benzenringen og kan danne hydrogenbindinger. Sidekæden i phenylalanin har en benzenring uden hydroxygruppe. Den er upolær og kan kun danne londonbindinger. Den nye sidekæde kan altså ikke danne hydrogenbindinger, så en hydrogenbinding, som tyrosin dannede til en nabo eller til et substrat, går tabt.

  3. Mutation 3 giver codonet UAA, som er et stopsignal. Kæden stopper der, hvor tyrosin skulle have siddet, og alle de aminosyrer, der skulle komme efter, mangler. Sådan et forkortet protein virker som regel ikke.

Opgave A7.6.7: Ny sidekæde, nye egenskaber

En mutation kan skifte én aminosyre i et protein ud med en anden. Tabellen viser fem udskiftninger.

Udskiftning Fra Til
1 asparaginsyre (Asp) glutaminsyre (Glu)
2 lysin (Lys) glutaminsyre (Glu)
3 serin (Ser) alanin (Ala)
4 leucin (Leu) valin (Val)
5 glutaminsyre (Glu) glutamin (Gln)
  1. Find de otte aminosyrer i tabellen over sidekæder i afsnit A6.1. Skriv for hver af dem, hvilken gruppe sidekæden har ved pH 7, og om sidekæden er positivt ladet, negativt ladet, polær uden ladning eller upolær.
  2. Hvilke af de fem udskiftninger ændrer sidekædens ladning?
  3. Hvilken af de fem udskiftninger gør en polær sidekæde upolær?
  4. Hvilke to af de fem udskiftninger ændrer hverken sidekædens ladning eller polaritet?
  5. Sidekæden sidder på proteinets overflade ud mod vandet. Forklar, hvad udskiftning 3 betyder for sidekædens bindinger til vandmolekylerne.

Tabellen over sidekæder står under overskriften “Hvilke sidekæder kan hvad?” i afsnit A6.1. En carboxylgruppe i en sidekæde er på formen −COO− ved pH 7, og en aminogruppe i en sidekæde er på formen −NH3+.

En sidekæde med en hydroxygruppe eller en amidgruppe er polær, men den har ingen ladning. En sidekæde, der kun består af carbon og hydrogen, er upolær. Sammenlign for hver af de fem udskiftninger sidekæden før og efter.

Du kan begynde forklaringen om udskiftning 3 sådan: “Sidekæden i serin har en …, som kan danne … til vandmolekylerne. Sidekæden i alanin er en …, som …”

  1. De otte sidekæder ved pH 7 er
Aminosyre Gruppe i sidekæden ved pH 7 Sidekæden er
asparaginsyre (Asp) −COO− negativt ladet
glutaminsyre (Glu) −COO− negativt ladet
lysin (Lys) −NH3+ positivt ladet
serin (Ser) −OH polær uden ladning
glutamin (Gln) −CO−NH2 polær uden ladning
alanin (Ala) −CH3 upolær
leucin (Leu) en carbonkæde upolær
valin (Val) en carbonkæde upolær

  1. Udskiftning 2 og 5 ændrer sidekædens ladning. Ved udskiftning 2 skifter ladningen fra positiv i lysin til negativ i glutaminsyre. Ved udskiftning 5 forsvinder den negative ladning, fordi amidgruppen i glutamin ikke har nogen ladning.

  2. Udskiftning 3 gør en polær sidekæde upolær. Serin har en hydroxygruppe, som er polær. Alanin har en methylgruppe, som er upolær.

  3. Udskiftning 1 og 4 ændrer hverken ladning eller polaritet. Asparaginsyre og glutaminsyre har begge gruppen −COO− ved pH 7, og leucin og valin har begge en upolær carbonkæde. De to udskiftninger vil derfor som regel betyde mindst for proteinet. Sidekæderne er dog ikke lige lange, så gruppen sidder ikke præcis det sted, den sad før udskiftningen.

  4. Sidekæden i serin har en hydroxygruppe, som kan danne hydrogenbindinger til vandmolekylerne omkring proteinet. Sidekæden i alanin er en methylgruppe. Den er upolær og kan ikke danne hydrogenbindinger til vandmolekylerne, kun svage londonbindinger. Efter udskiftning 3 binder sidekæden sig altså dårligere til vandet.

Opgave A7.6.8: Fra en ændret base til en ændret binding

I det aktive center på et enzym sidder en asparaginsyre. Dens sidekæde holder fast i gruppen −NH3+ på substratet, som figuren viser. pH er 7.

Figur 2: En gruppe på substratet og sidekæden fra asparaginsyre i enzymets aktive center. Tegningen er forenklet.

I den kodende streng i genet for enzymet står codonet GAT for asparaginsyren. Tabellen viser tre mutationer, hvor én base i codonet GAT er skiftet ud med en anden.

Mutation Codon i DNA før Codon i DNA efter
1 GAT GAA
2 GAT AAT
3 GAT GCT
  1. Angiv, hvilken slags binding der er ved 1 i figuren mellem sidekæden i asparaginsyre og gruppen −NH3+ på substratet.
  2. Find for hver af de tre mutationer den aminosyre, der kommer i stedet for asparaginsyre. Brug tabellen over den genetiske kode i afsnit A7.6.
  3. Angiv for hver af de tre nye sidekæder, hvilken gruppe sidekæden har ved pH 7, og hvilken binding der er den stærkeste, gruppen kan danne til −NH3+ på substratet.
  4. Hvilken af de tre mutationer vil du forvente ændrer enzymet mindst, og hvilken ændrer det mest? Begrund svaret.

Skriv hvert codon fra DNA om til mRNA ved at skifte T ud med U, og slå codonet op i tabellen over den genetiske kode. Find derefter de tre nye aminosyrer i tabellen over sidekæder i afsnit A6.1.

Stil de samme spørgsmål til hver af de tre nye sidekæder, i denne rækkefølge:

  1. Er sidekæden negativt ladet? Så kan den danne en ion-ionbinding til gruppen −NH3+ på substratet.
  2. Har sidekæden et O eller N, men ingen ladning? Så kan den danne en hydrogenbinding, hvor gruppen −NH3+ på substratet giver hydrogenatomet.
  3. Er sidekæden upolær? Så er der kun londonbindinger.

Du kan begynde begrundelsen sådan: “Mutation … giver en sidekæde med samme gruppe som asparaginsyre, så … Mutation … giver en upolær sidekæde, så …”

  1. Ved pH 7 er sidekæden i asparaginsyre på formen −COO−, som er negativt ladet. Gruppen −NH3+ på substratet er positivt ladet. De to grupper holdes sammen af en ion-ionbinding.

  2. og c. De tre nye aminosyrer og deres sidekæder er

Mutation Codon i mRNA Aminosyre Gruppe ved pH 7 Stærkeste binding
1 GAA glutaminsyre (Glu) −COO− ion-ionbinding
2 AAU asparagin (Asn) −CO−NH2 hydrogenbinding
3 GCU alanin (Ala) −CH3 londonbindinger

Glutaminsyre har en carboxylgruppe i sidekæden ligesom asparaginsyre. Den er på formen −COO− ved pH 7 og danner en ion-ionbinding til −NH3+. Asparagin har en amidgruppe uden ladning. Gruppen −NH3+ på substratet giver et hydrogenatom, og oxygenatomet i amidgruppen tager imod med et ledigt elektronpar, så de to grupper danner en hydrogenbinding. Alanin har en methylgruppe, som er upolær og kun kan danne londonbindinger.

  1. Mutation 1 ændrer enzymet mindst. Sidekæden i glutaminsyre har samme gruppe, −COO−, som sidekæden i asparaginsyre, så ion-ionbindingen til substratet kan stadig dannes. Sidekæden er dog én CH2-gruppe længere, så substratet sidder ikke præcis, som det gjorde før mutationen.

Mutation 3 ændrer enzymet mest. Methylgruppen i alanin kan kun danne londonbindinger, som er de svageste. Den stærke ion-ionbinding er væk, så substratet sidder meget dårligere fast i det aktive center, og enzymet arbejder langsommere.

Mutation 2 ligger imellem: hydrogenbindingen fra asparagin er svagere end ion-ionbindingen fra asparaginsyre, men stærkere end londonbindingerne fra alanin.

Opgaver i eksamensstil

Opgaverne ligner dem, du møder til den skriftlige prøve i kemi A. Vejen fra DNA til protein er her kun rammen: spørgsmålene handler om kernestof som funktionelle grupper, reaktionstyper, syrebrøk og intermolekylære bindinger.

Opgave A7.6.eks.1: Sødestoffet aspartam

Aspartam er et sødestof, som bruges i sodavand uden sukker. Molekylet er bygget af de to aminosyrer asparaginsyre og phenylalanin og af methanol, og det har molekylformlen C14H18N2O5. På emballagen står der “Indeholder en phenylalaninkilde”. Advarslen er til mennesker med sygdommen phenylketonuri. De har en mutation i genet for det enzym, der omdanner phenylalanin i kroppen, og de skal undgå phenylalanin i maden.

Figur 3: Strukturformlen for aspartam.
  1. Angiv de funktionelle grupper i aspartam.
  2. I tarmen bliver aspartam hydrolyseret fuldstændigt. Opskriv strukturformlerne for de tre produkter, og angiv, hvor mange vandmolekyler der bruges for hvert molekyle aspartam.
  3. Carboxylgruppen i aspartam har pKs = 3,1. Aminogruppens korresponderende syre, −NH3+, har pKs = 7,9. Begrund, at de fleste molekyler af aspartam har den samlede ladning 0 ved pH 7,0.
  4. En sodavand indeholder 0,50 g aspartam pr. liter. Beregn massen af det phenylalanin, der dannes, når aspartamen i en dåse med 0,33 L sodavand hydrolyseres fuldstændigt.

Gå strukturformlen for aspartam igennem fra venstre mod højre, og find alle atomer, der ikke er C eller H. Sidder der en C=O lige ved siden af et O eller et N, hører de sammen i én gruppe.

Ved en hydrolyse spaltes en amidgruppe mellem C=O og N, og en estergruppe spaltes mellem C=O og O. Carbonylsiden får −OH, og den anden side får −H. Fremgangsmåden står i afsnit A3.3.

Aspartam har fire funktionelle grupper med O eller N og desuden en benzenring.

Sammenlign pH 7,0 med pKs for hver af de to grupper i aspartam. Er pH højere end pKs, er gruppen mest på baseformen. Er pH lavere end pKs, er gruppen mest på syreformen. Syrebrøken er xs = 1 / (1 + 10pH − pKs).

Du kan begynde begrundelsen sådan: “pH 7,0 er … end pKs = 3,1, så carboxylgruppen i aspartam er på formen … med ladningen … pH 7,0 er … end pKs = 7,9, så …”

Ét molekyle aspartam giver ét molekyle phenylalanin. Find først massen af aspartam i dåsen, så stofmængden af aspartam, og brug til sidst molarmassen af phenylalanin, C9H11NO2.

  1. Aspartam har fire funktionelle grupper med oxygen eller nitrogen:
Figur 4: De funktionelle grupper i aspartam.
Funktionel gruppe Formel Stofklasse
aminogruppe −NH2 amin
carboxylgruppe −COOH carboxylsyre
amidgruppe −CO−NH− amid
estergruppe −COO− ester

Aspartam har desuden en benzenring. Amidgruppen er peptidbindingen mellem de to aminosyrer.

  1. Ved hydrolysen spaltes amidgruppen mellem C=O og N, og estergruppen spaltes mellem C=O og O. Der bruges ét vandmolekyle for hver binding, der spaltes, altså 2 vandmolekyler for hvert molekyle aspartam.

aspartam + 2 H2O → asparaginsyre + phenylalanin + methanol

Figur 5: De tre produkter, når aspartam hydrolyseres fuldstændigt.
  1. Carboxylgruppen i aspartam har pKs = 3,1. pH 7,0 er langt højere end 3,1, så carboxylgruppen er på baseformen, −COO−, med ladningen −1.

Gruppen −NH3+ har pKs = 7,9. pH 7,0 er lavere end 7,9, så de fleste aminogrupper er på syreformen, −NH3+, med ladningen +1. Syrebrøken er

\[ x_\mathrm{s} = \frac{1}{1 + 10^{\,7{,}0 - 7{,}9}} = 0{,}89 \]

Amidgruppen og estergruppen er hverken syrer eller baser og har ingen ladning. I 89 % af molekylerne af aspartam er den samlede ladning derfor 0, fordi +1 fra −NH3+ og −1 fra −COO− ophæver hinanden. De molekyler er amfoioner. De sidste 11 % har aminogruppen på formen −NH2 og den samlede ladning −1.

  1. Massen af aspartam i dåsen er

\[ m(\mathrm{aspartam}) = 0{,}50\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{L}} \cdot 0{,}33\ \mathrm{L} = 0{,}165\ \mathrm{g} \]

Molarmassen af aspartam, C14H18N2O5, og af phenylalanin, C9H11NO2, er

\[ M(\mathrm{aspartam}) = \left(14 \cdot 12{,}01 + 18 \cdot 1{,}008 + 2 \cdot 14{,}01 + 5 \cdot 16{,}00\right)\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}} = 294{,}30\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}} \]

\[ M(\mathrm{phenylalanin}) = \left(9 \cdot 12{,}01 + 11 \cdot 1{,}008 + 14{,}01 + 2 \cdot 16{,}00\right)\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}} = 165{,}19\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}} \]

Stofmængden af aspartam er

\[ n(\mathrm{aspartam}) = \frac{m}{M} = \frac{0{,}165\ \mathrm{g}}{294{,}30\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}} = 5{,}61 \cdot 10^{-4}\ \mathrm{mol} \]

Ét molekyle aspartam giver ét molekyle phenylalanin, så stofmængden af phenylalanin er også 5,61 · 10−4 mol.

\[ m(\mathrm{phenylalanin}) = n \cdot M = 5{,}61 \cdot 10^{-4}\ \mathrm{mol} \cdot 165{,}19\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}} = 0{,}093\ \mathrm{g} \]

Der dannes 0,093 g phenylalanin, altså 93 mg, når aspartamen i en dåse sodavand hydrolyseres fuldstændigt.

Opgave A7.6.eks.2: Fedtdråber om mRNA

I en mRNA-vaccine er mRNA pakket ind i bittesmå fedtdråber. Et af fedtstofferne i dråberne er en amin, hvor nitrogenatomet er bundet til tre carbonkæder, og to af kæderne er lange. Fedtstoffet skrives her R3N, og dets korresponderende syre, R3NH+, har pKs = 6,5.

Når vaccinen fremstilles, blandes mRNA og fedtstof ved pH 5,0. Når mRNA er lukket inde i dråberne, hæves pH til 7,4, som er blodets pH. Dråberne skal helst have få positive ladninger i blodet, for dråber med mange positive ladninger skader kroppens celler.

Figuren viser et udsnit af en fedtdråbe ved pH 5,0. Tegningen er forenklet.

Figur 6: En phosphatgruppe i mRNA og to molekyler af fedtstoffet ved pH 5,0. Bindingerne har numrene 1 og 2.
  1. Opskriv reaktionsskemaet for reaktionen mellem fedtstoffet, R3N, og oxoniumioner.
  2. Beregn syrebrøken for fedtstoffet ved pH 5,0 og ved pH 7,4.
  3. Angiv de typer af intermolekylære bindinger, der er ved 1 og 2 i figuren.
  4. Phosphatgrupperne i mRNA har pKs omkring 1. Forklar, hvorfor mRNA og fedtstof blandes ved pH 5,0 og ikke ved pH 7,4, og vurdér, om fedtstoffet opfylder kravet om få positive ladninger i blodet.

Fedtstoffet, R3N, er en amin og dermed en base. En base optager en hydron fra oxoniumionen.

Syreformen af fedtstoffet er R3NH+. Syrebrøken er xs = 1 / (1 + 10pH − pKs), som i afsnit A1.7.

For fedtstoffet er pH − pKs = 5,0 − 6,5 = −1,5 ved pH 5,0 og pH − pKs = 7,4 − 6,5 = 0,9 ved pH 7,4.

Find for hvert nummer i figuren de to grupper, bindingen er imellem. Ved 1 har de to grupper hver sin ladning. Ved 2 består begge grupper kun af carbon og hydrogen.

Du kan begynde forklaringen sådan: “Phosphatgrupperne i mRNA har pKs omkring 1, så de er … ved både pH 5,0 og pH 7,4. Ved pH 5,0 er … % af fedtstoffet på formen …, som kan danne … Ved pH 7,4 er kun … %”

  1. Fedtstoffet er en base og optager en hydron fra oxoniumionen:

R3N + H3O+ → R3NH+ + H2O

  1. Syreformen af fedtstoffet er R3NH+, og pKs = 6,5. Ved pH 5,0 er syrebrøken

\[ x_\mathrm{s} = \frac{1}{1 + 10^{\,5{,}0 - 6{,}5}} = 0{,}97 \]

Ved pH 7,4 er syrebrøken

\[ x_\mathrm{s} = \frac{1}{1 + 10^{\,7{,}4 - 6{,}5}} = 0{,}11 \]

Ved pH 5,0 er 97 % af fedtstoffet på den positivt ladede form, R3NH+. Ved pH 7,4 er det kun 11 %.

  1. Bindingerne mellem fedtstoffet og de to andre grupper er
Figur 7: Bindingerne mellem fedtstoffet og phosphatgruppen i mRNA og mellem to molekyler af fedtstoffet.
Nr. Gruppe i fedtstoffet Den anden gruppe Binding
1 gruppen R3NH+ phosphatgruppen i mRNA ion-ionbinding
2 de lange carbonkæder carbonkæderne i nabomolekylet londonbindinger

Ved 1 er gruppen R3NH+ i fedtstoffet positivt ladet, og phosphatgruppen i mRNA har et negativt ladet oxygenatom, så de to grupper danner en ion-ionbinding. Ved 2 består begge grupper kun af carbon og hydrogen. De er upolære og kan kun danne londonbindinger, men kæderne er lange, så der er mange af dem.

  1. Phosphatgrupperne i mRNA har pKs omkring 1. Både pH 5,0 og pH 7,4 er langt højere end 1, så phosphatgrupperne er på baseformen og negativt ladede ved begge pH-værdier.

Ved pH 5,0 er 97 % af fedtstoffet på formen R3NH+. Næsten hvert molekyle af fedtstoffet kan derfor danne en ion-ionbinding til en phosphatgruppe, og mRNA bliver holdt fast og pakket ind i dråberne. Ved pH 7,4 er kun 11 % af fedtstoffet positivt ladet. Blev de to stoffer blandet ved pH 7,4, ville der være alt for få ion-ionbindinger til at holde på mRNA.

I blodet, hvor pH er 7,4, er 89 % af fedtstoffet på formen R3N uden ladning. Dråberne har altså få positive ladninger, så fedtstoffet opfylder kravet. Det gør det, fordi pKs = 6,5 ligger mellem de to pH-værdier: fedtstoffet er ladet, når mRNA skal bindes, og næsten uden ladning i blodet.

Opgave A7.6.eks.3: Rød i ansigtet af alkohol

Leveren omdanner ethanol i to trin. Først bliver ethanol til ethanal, CH3−CHO, og derefter bliver ethanal til ethansyre. Det andet trin katalyseres af enzymet aldehyddehydrogenase. Hos mange mennesker med rødder i Østasien er én base i genet for enzymet skiftet ud, så codonet GAA i den kodende streng er blevet til AAA. Enzymet arbejder derfor meget langsommere. Ethanal hober sig op i kroppen, og personen bliver rød i ansigtet og får kvalme af selv lidt alkohol.

Codonet GAA står for en glutaminsyre. I det normale enzym ligger dens sidekæde tæt på sidekæden fra en arginin et andet sted i proteinet, og de to sidekæder er med til at holde enzymet foldet rigtigt omkring det aktive center. Sidekæden i arginin ender i gruppen −NH−C(NH2)2+, som er positivt ladet ved pH 7,4. Figuren viser de to sidekæder i det normale enzym ved pH 7,4.

Figur 8: Sidekæderne fra glutaminsyre og arginin i det normale enzym. Tegningen er forenklet.
  1. Angiv reaktionstypen for hvert af de to trin, hvor ethanol bliver til ethanal, og ethanal bliver til ethansyre.
  2. Angiv, hvilken type binding der er ved 1 i figuren, og hvilke to grupper bindingen er imellem.
  3. Bestem ved hjælp af tabellen over den genetiske kode i afsnit A7.6, hvilken aminosyre codonet AAA giver. Sidekædens korresponderende syre har pKs = 10,5. Begrund, at sidekæden er positivt ladet ved pH 7,4.
  4. Forklar, hvorfor enzymet arbejder langsommere, når glutaminsyren er skiftet ud med den nye aminosyre.

Se på det carbonatom, der bærer oxygen i ethanol, ethanal og ethansyre. Får carbonatomet flere bindinger til oxygen eller færre til hydrogen, er det en oxidation. Reglen står i afsnit A3.3.

Sidekæden i glutaminsyre har en carboxylgruppe. Find i tabellen over sidekæder i afsnit A6.1, hvilken form carboxylgruppen har ved pH 7.

Codonet AAA i den kodende streng giver codonet AAA i mRNA, fordi der ikke er noget T at skifte ud. Slå AAA op i tabellen over den genetiske kode, og find aminosyrens sidekæde i tabellen i afsnit A6.1. Sammenlign derefter pH 7,4 med pKs = 10,5.

Du kan begynde forklaringen sådan: “I det normale enzym danner −COO− i glutaminsyre og den positivt ladede gruppe i arginin en … Den nye sidekæde er … ladet ligesom sidekæden i arginin, så de to grupper …”

  1. Begge trin er oxidationer. I ethanol, CH3−CH2−OH, har carbonatomet med hydroxygruppen én binding til oxygen og to til hydrogen, så oxidationstallet er −I. I ethanal, CH3−CHO, har carbonatomet to bindinger til oxygen og én til hydrogen, så oxidationstallet er +I. I ethansyre, CH3−COOH, har carbonatomet tre bindinger til oxygen, så oxidationstallet er +III. Oxidationstallet stiger i begge trin: en primær alkohol oxideres til et aldehyd, og aldehydet oxideres til en carboxylsyre.

  2. Bindingen ved 1 er en ion-ionbinding. Den er mellem den negativt ladede gruppe −COO− i sidekæden fra glutaminsyre og den positivt ladede gruppe −NH−C(NH2)2+ i sidekæden fra arginin.

  3. Codonet AAA i den kodende streng giver codonet AAA i mRNA, og AAA står for lysin (Lys). Sidekæden i lysin har en aminogruppe, og dens korresponderende syre, −NH3+, har pKs = 10,5. pH 7,4 er langt lavere end 10,5, så sidekæden er på syreformen, −NH3+. Syrebrøken er

\[ x_\mathrm{s} = \frac{1}{1 + 10^{\,7{,}4 - 10{,}5}} = 0{,}999 \]

Ved pH 7,4 er 99,9 % af sidekæderne i lysin altså positivt ladede.

  1. I det normale enzym danner gruppen −COO− i glutaminsyre en ion-ionbinding til den positivt ladede gruppe i arginin. Bindingen holder to dele af proteinet sammen og er med til at give det aktive center den rigtige form.
Figur 9: De to sidekæder i det normale enzym og i enzymet efter mutationen.

Efter mutationen sidder der en lysin med gruppen −NH3+ på glutaminsyrens plads. Sidekæden i lysin og sidekæden i arginin er begge positivt ladede. To grupper med samme ladning kan ikke danne en ion-ionbinding. De frastøder hinanden. Ion-ionbindingen er altså væk, de to dele af proteinet holdes ikke længere sammen, og foldningen omkring det aktive center ændres. Det aktive center virker derfor dårligere, og enzymet arbejder langsommere.