Mærk varmen. Opgaver og arbejdsark. Christa Trandum 1, Peter Westh 2 og Keld Nielsen 3. Kemi Forlaget

Transkript

1 Mærk varen Opgaver og arbejdsark af Christa Trandu 1, Peter Westh 2 og Keld Nielsen 3 1 Keisk Institut, Syddansk Universitet, Capusvej 55, 5230 Odense M 2 Institut for Biologi og Kei, Roskilde Universitetscenter, Box 260, 4000 Roskilde 3 VUC Roskilde, Læderstræde 4, 4000 Roskilde Kei Forlaget 1

2 Forord De følgende opgaver knytter sig eneæssigt til en tilhørende artikel: Mærk varen, skrevet af Christa Trandu, Keisk Institut, Syddansk Universitet, Capusvej 55, 5230 Odense M, og Peter Westh, Institut for Biologi og Kei, Roskilde Universitetscenter, Box 260, 4000 Roskilde. Artiklen er saen ed denne publikation udsendt til alle landets gynasier, htx-skoler og hf-kurser og er desuden trykt på idtersiderne i dansk kei, 83, nr. 10, Opgaverne behandler teori, der knytter sig til artiklen, en ofatter desuden forskellige terodynaiske forhold okring ainosyrer, peptider og proteiner. Opgaverne kan således fint anvendes i forbindelse ed andet undervisningsateriale o ainosyrer, peptider, proteiner og bioorganisk kei. Denne artikel er i lighed ed tidligere artikler i serien tilgængelig på Keilærerforeningens hjeeside: Faktabox o Kei for tiden I de sidste 5 år har Keilærerforeningen (via Kei Forlaget) i saarbejde ed Keisk Forening og Keiingeniørgruppen udgivet en række teanure o Kei for tiden. Disse artikler ohandler aktuelle keiske ener inden for forskningsverdenen. De første nure ko til verden so pilotprojekter ed stor velvilje og økonoisk støtte fra de involverede virksoheder, Keisk Forening og Keilærerforeningen. De seneste nure er udgivet so følge af en særbevilling fra Forskningsinisteriet, denne bevillig er givet for at foridle naturvidenskabelig forskning og viden til gynasie-, hf- og htx-elever ed kei på højt niveau eller elleniveau. Kei Forlaget Slotsgade København K Telefon: Fax: E-ail: LMFK@skoleko.dk Kei for tiden er redigeret af Preben Albertsen 2

3 Opgave 1: O energi, effekt og kalorietri Kalorietri er en uspecifik etode, der kan anvendes til at belyse enhver proces, der optager eller udvikler vare. Metoden kan derfor tilpasses en række projekter indenfor industri og forskning, og der produceres i dag et stort antal kalorietriske instruenter af forskellig type. De har dog alle det til fælles, at det grundlæggende princip er et teroeter, der kan benyttes til eget præcise teperaturålinger. I gynasiets laboratorier åles typisk teperaturændringer på okring 0,2 C. Moderne kalorietre kan detektere en varetoning svarende til 0,1 µj. a) Beste hvor stor en teperaturstigning der vil forekoe i en kalorietercelle ed 1 L vand, hvis der tilføres 0,1 µj. Kalorietri benyttes i industrien til ange forskelligartede undersøgelser. F.eks. har et ejeri ålt, at en prøve fra en skæreost ed assen 1,2 g afgav et vare-flow (effekt) på 6,1 µw under odningen af osten. b) Diskuter baggrunden for at osteodningen er exoter. Mejeriet skal nu diensionere en kølehal til odning af ostene. Hallen skal indeholde 500 tons ost. Køleanlægget skal bygges således, at det kan fjerne varen, so udvikles ved odningen af osten. Kølesysteet er elektrisk og har en virkningsgrad på 0,33 (dvs. det bruger 3 J i elektrisk arbejde for hver gang, det puper 1 J ud af hallen). c) Hvor eget energi i sekundet skal køleanlægget være i stand til at fjerne for at holde teperaturen konstant i hallen. d) Beregn okostningerne til elektricitet pr. åned ved at drive anlægget. Et andet eksepel på anvendelse af kalorietri til undersøgelse af biologiske processer er såkaldt whole-body calorietry, der bl.a. bruges af idrætsfysiologer. Udstyret består af et kalorieter-kaer, der er et lille ru, hvor en forsøgsperson opholder sig. Personens vareudvikling kan detekteres via sensorer på kaerets yderside. Ved brug af sådant udstyr viser det sig, at et hvilende enneske udvikler ca. 75 W eller ca. det sae so en kraftig el-pære. Denne vare koer i overvejende grad fra nedbrydning af sukkerarten glukose, C 6 H 12 O 6. e) Opskriv et afstet reaktionsskea for forbrænding af glukose. f) Beste ved tabelopslag reaktionens olar standardreaktionsentalpi, H. g) Beregn hvor eget glukose pr. tie, der nedbrydes af en hvilende person. 3

4 Ved fysisk aktivitet stiger personens vareudvikling. F.eks. viser det sig, at den bliver 230 W, når hun kører på en ergoetercykel opstillet i kaeret. h) Hvor eget taber forsøgspersonen sig ved en ties cykling. Opgave 2: Sipel kalorietri Et kalorieters indre essingskål vejer 77,0 g. Det fyldes ed ca. 50 L vand ed en teperatur på 26,6 C (kalorietrets indre skål er ca. fyldt ¼ op). Den indre skål ed vand vejer tilsaen 126,0 g. Der afvejes 9,57 g aoniunitrat, so tilsættes vandet. Under opløsningen af saltet åles teperaturen. Den laveste teperatur an åler, er 16,3 C. a) Opskriv reaktionsskeaet for opløsning af aoniunitrat i vand og beregn ud fra tabelværdier den olare standardreaktionsentalpi, H. Er reaktionen endo- eller exoter? b) Opskriv kalorieterligningen for systeets energiudvekslinger. c) Beregn den olare standardreaktionsentalpi, H, ud fra de eksperientelle værdier, idet det antages, at kun vandet opvares. Overvej hvilke antagelser an foretager undervejs i beregningerne, sat hvilken betydning de vil have for besteelsen af den olare standardreaktionsentalpi, H. d) Beregn den olare standardreaktionsentalpi, H, ud fra de eksperientelle værdier, idet det antages, at det ikke kun er vandet, der opvares, en også essingskålen. Man kan erstatte kalorieterets essingskål ed en skål af skuplast. I et konkret forsøg vejer plastbægeret 1,79 g. Det fyldes ed ca. 50 L vand (salet asse er 52,9 g). Vandets teperatur åles til 26,5 C. Der afvejes 10,5 g aoniunitrat. Forsøget gentages so ovenfor. Den laveste teperatur, an åler, er 14,0 C. a) Gennefør beregninger svarende til forsøget hvor en essingskål benyttes so kalorieter, og besvar spørgsålet: Hvorfor er det en fordel at benytte skuplastbæger i dette forsøg? b) Ved Isoter Titrer Calorietri (ITC) kan det være en fordel at benytte f.eks. en essingskål fre for en skål af skuplast. Hvorfor? Opgave 3: Peptiddannelse Ainosyrer kan ved en kondensationsreaktion danne peptider. 4

5 a) På figuren til højre ses ainosyren glycin. Hvad er glycins systeatiske navn? Tegn peptiderne hvor henholdsvis to, tre og fire glycinolekyler er sat saen ved peptidbindinger. b) Opskriv reaktionsskeaer for dannelsen af de tre peptider so otales i a). For hvert reaktionsskea beregnes den tilhørende olare standardreaktionsentalpi, H, og tilvæksten i standard Gibbs energien, G. c) Forløber reaktionerne spontant eller ikke-spontant ved standard betingelser? d) Hvor ange forskellige proteiner kan der dannes, hvis proteinet er dannet ud fra 120 glycinolekyler? Hvis an i stedet har 3 forskellige typer ainosyrer til rådighed hvor ange forskellige proteiner bestående af 120 ainosyrer kan an så få dannet? Og hvad hvis an har 20 forskellige ainosyrer? Data kan findes i Databog fysik kei (F&K Forlaget), dog suppleret ed følgende værdier: H (kj/ol) G (kj/ol) di-glycylglycin -962,7-607,1 tri-glycylglycin ,5 Tabel 1: Data fra CRC Handbook of Biocheistry, The Cheical Rubber Co., 1968, s. B-8 Opgave 4: L-alanin s opløselighed Ainosyren L-alanin s opløselighed i vand afhænger af teperaturen, se tabel 2. Tep. ( C) Opløselighed i g/kg vand 125,7 143,7 167,2 193,1 Tabel 2: Data fra CRC Handbook of Biocheistry, The Cheical Rubber Co., 1968, s. B-10 a) På figuren til højre ses ainosyren alanin. Hvad er alanins systeatiske navn? Hvor i alaninolekylet findes et asyetrisk C-ato? b) Vis at L-alanins opløselighed i vand er (næsten) lineært afhængig af teperaturen. 5

6 c) Er opløselighedsprocessen en endo- eller exoter proces? (arguenter kvalitativt) d) Opskriv reaktionsskeaet henholdsvis ligevægtsudtrykket for opløselighedsligevægten. e) Beregn standardreaktionsentalpien, H, og -entropien S. Hvilke antagelser er an nødt til at foretage? Saenlign eventuelt ed værdier fra Databog fysik kei (F&K Forlaget). (Hjælp: Benyt van t Hoff ligningen) f) Besvar atter spørgsål c), en denne gang ved brug af de beregnede størrelser. g) Er opløselighedsprocessen af L-alanin en spontan eller ikke-spontan proces ved 20 C? h) Hvor eget sænkes frysepunktet i en ættet vandig opløsning af L-alanin? i) Er opløselighedsprocessen af L-alanin ved standard betingelser spontan eller ikkespontan i hele teperaturintervallet fra lige over frysepunktet til ca. 40 C? Opgave 5: Udfoldning af et protein Proteinet Ribonuclease findes i to forer, en foldet hhv. udfoldet (denatureret) for. Teperaturen har betydning for ligevægtsfordelingen elle disse to forer. I et (sipelt) forsøg er koncentrationen af de to forer bestet ved to teperaturer: t ( C) Udfoldet for (M) Foldet for (M) 50 0,0051 2, ,28 1,7 Tabel 3: Data fra D. Voet & J.G. Voet: Biocheistry (2.nd. edi., John Wiley & Sons Inc., 1995, s. 95.) a) Beregn ligevægtskonstanten for udfoldning af proteinet ved de to teperaturer. Er der tale o en endo- eller exoter proces (arguenter kvalitativt). b) Beste standardreaktionsentalpien, H, og entropien, S, for udfoldningen. Svarer resultatet til besvarelsen af spørgsål a)? c) Antag at standardreaktionsentalpien, H, og entropien, S, er uafhængige af teperaturen. Diskuter o foldningen er en spontan eller ikke-spontan proces ved standard betingelser? Opgave 6: Faseovergang Faseovergange er et centralt ene for terodynaiske undersøgelser, ikke kun i fysiske og keiske saenhænge, en også inden for biokei og biologi. F.eks. kan en proteinudfoldning betragtes so en faseovergang. I fysiske og keiske saenhænge tænkes oftest på faseovergange so stofs overgang elle to forskellige tilstandsforer, f.eks. fra væske til gas. 6

7 a) Forklar (kvalitativt) hvorfor en hånd føles kold, når an spilder husholdningssprit på den, hvorfor an koer isterninger i en drik og hvorfor en terokande både kan benyttes til at holde kolde drikke kolde og vare drikke vare. Ved faseovergange er den terodynaiske størrelse entalpi et centralt begreb. Noralt antages entalpiændringen at være uafhængig af teperaturændringer. Derfor kan beregninger af entalpien ved 25 C benyttes til udsagn o faseovergange ved andre teperaturer. b) Opskriv reaktionsskeaet for faseovergangen fra vand so væske til vanddap. Beste den olare standardreaktionsentalpi, H, under forudsætning o teperaturuafhængighed. Faktisk afhænger entalpiændringen af teperaturen. Den sipleste odel, hvorved an kan tage højde for dette, er ved at inddrage begrebet specifik varekapacitet, c p. Hvis an antager, at de to fasers specifikke varekapaciteter er uafhængige af teperaturen, kan entalpiændringen ved teperaturen T 2 beregnes ved brug af forlen: H(T 2 ) = H(T1 ) + T c p (1) c) Beste den olare standardreaktionsentalpi, H, for vands faseovergang fra væske til vanddap ved vands (norale) kogepunkt under antagelsen o, at entalpiændringen afhænger af teperaturen so beskrevet i (1), ( cp= c p (H 2 O(g)) c p (H 2 O(l))). Hvor stor er fejlen, når an antager, at standardreaktionsentalpi er uafhængig af teperaturen? Det er ikke kun entalpiændringen, en også stoffernes specifikke varekapacitet, der er afhængig af teperaturen. Hvis begge disse forhold skal inddrages i beregningerne, kan an benytte Kirchhoff s lov: ( T ) T2 H(T2 ) = H(T1 ) + c p dt (2) T En odel for c p s teperaturafhængig for vands vedkoende er følgende: = a + b T. d) Beste den olare standardreaktionsentalpi, H, for vands faseovergang fra væske til vanddap ved vands (norale) kogepunkt under antagelsen o, at entalpiændringen afhænger af teperaturen so beskrevet i (2). (For H2O(l) er a= 75,48 J K 1 ol 1 og b= 0 J K 2 ol 1, og for H 2 O(g) er a=30,54 J K 1 ol 1 og b=0,01029 J K 2 ol 1 ) (løsning af integralet kan f.eks. gøres ved brug af en grafisk loeregner). Saenlign og koenter resultatet ed de to tidligere beregninger af entalpiændringen for faseovergangen. Opgave 7: Glycolysen Glycolysen er nedbrydningsvejen for sukkerstoffer i vores krop. Den findes i de fleste organiser, fra én-cellede organiser til ennesker, og foregår priært i cellernes 1 c p 7

8 cytoplasa (se fx figur 3). Glycolysen er styret af en række enzyreaktioner. Mekanisen er grundlæggende den sae i alle organiser, selv o de enkelte enzyer kan være lidt forskellige i deres struktur. Blandt andet på grund af glycolysens alene karakter, har den været genstand for intense studier inden for biokeien. Dette har bevirket, at an i dag kender glycolysens reaktionsvej (se figur 1). Figur 1: Enzyreaktioner der tilsaen udgør glycolysen. 8

9 De centrale enzyer i glycolysen er de allosteriske enzyer PFK og PK (enzyerne fungerer ikke efter en Michaelis-Menten enzyekanise, en der gælder, at når et substrat binder sig til enzyet, bliver enzyet bedre til at optage efterfølgende substrater). a) På figur 1 ses en oversigt over glycolysens reaktioner. Opskriv alle reaktionsskeaerne, so er en del af glycolysen (ladningerne behøves ikke at blive noteret). b) I enzyreaktionerne indgår en række substrater. Tegn disse substrater (benyt eventuelt et olekyletegneprogra so fx CheSketch til at iagttage den tre-diensionelle opbygning af substraterne eller byg olekyleodeller for de ere siple substrater). Angiv systeatiske navne for substraterne (dog undtaget ATP, ADP, NAD + og NADH). (Hjælp: Benyt fx en standard lærebog i biokei eller kei). Glycolysen kan betragtes so en saenhørende række af reaktioner. Hvis disse skal være spontant forløbende å de være karakteriseret ved, at G for reaktionerne er negative. Ændringen i den olare standard Gibbs fri energi, G, er blevet bestet, se figur 1. Gibbs fri energierne er opgivet ved den såkaldte biokeiske standard betingelse,, G ' hvor ph er 7. So det ses er fortegnene såvel positive so negative. Men for at kunne vurdere G s fortegn for de enkelte af glycolysens reaktioner, skal der tages højde for, at substraternes koncentrationer ikke er 1 M, en for de fleste er langt indre. Dette vil have stor betydning for beregningerne af G, idet an skal benytte forlen: G = G ' [ produkter ] + R T ln [ reaktanter ] hvor G ' er opgivet ved den biokeiske standardbetingelse. For at kunne beregne G skal an altså kende substraternes koncentrationer. Dette er ikke uprobleatisk, dels fordi gennesnitskoncentrationerne kan variere fra art til art, og dels fordi koncentrationerne afhænger af cellens tilstand. På figur 1 er dog angivet nogle koncentrationer, so staer fra sae art celler og fra sae forsøgsbetingelser. c) Beregn G for alle reaktioner hvor substraternes koncentrationer er angivet. Er reaktionerne spontant forløbne? d) Vurder hvor store koncentrationerne af de substrater, so ikke har angivet en værdi i figur 1 (substratkoncentrationerne er i disse tilfælde angivet ved et?), skal være, for at reaktionerne er spontane. I de senere år er glycolysen blevet genstand for fornyet interesse. Glycolysen har nelig fungeret so biokeisk odelsyste for studier af en række nye fænoener, der kan iagttages i ikke-lineære dynaiske systeer, der er langt fra keisk ligevægt. Her tænkes f.eks. på periodiske og kaotiske svingninger i koncentrationer af glycolysens substrater. Sådanne koncentrationssvingninger kan forekoe både i levende celler og i ekstrakter fra 9

10 fx gærceller. Hvis an vil prøve at finde kaotisk opførsel eller lignende fænoener i en sipel keisk odel, kan dette prøves på web-stedet Figur 2: Periodiske og kaotiske fænoener observeret i glycolysen i et forsøg ed ekstrakt fra gærceller. Signalet skyldes koncentrationssvingninger i NADH. De forskellige fænoener opnås ved at ændre forsøgsbetingelserne. (K. Nielsen et al., J. Theor. Biol., 186 (1997), 303). Opgave 8: Terodynaisk stabilitet af proteiner Proteiner er livsprocessernes arbejdsheste. I en typisk celle (se fx figur 3) findes der okring 10 4 forskellige proteinolekyler, der udfører en række opgaver såso transport af stof, katalyse af biokeiske reaktioner og oplagring af stof. Protein Betingelser H foldning (kj/ol) S foldning (kj/ol) Ribonuclease ph 2, Chyotrypsinogen ph 3, Myoglobin ph 9, β-lactoglobulin I 5 M urinstof Tabel 4: Terodynaisk data for foldning af forskellige proteiner ved 25 C. (Mathews & van Holde, Biocheistry (The Benjain/Cuings Publishing Copany, Inc., 1990) p. 193). a) Hvilke funktioner har enzyerne i tabel 4 (Hjælp: Benyt en lærebog i biokei). (Proteiners tre-diensionelle struktur kan bl.a. ses ved at benytte prograet Rasol og data fra web-stedet 10

11 b) Vis at foldningen af de forskellige proteiner er spontane processer ved 25 C under de angivne forsøgsbetingelser. c) Antag nu, at H foldning og S foldning ikke afhænger af teperaturen. Ved hvilken teperatur ser an et skift fra, at foldningsprocesserne er spontane, til de ikke er spontane (dvs. udfoldning af foldede proteiner er spontan)? Koenter o du ener, at resultaterne virker realistiske. d) Proteinerne deler sig i to grupper. For de tre første proteiner er såvel ændringen i standardreaktionsentalpi so entropi negative størrelser, ens for det sidste protein er begge disse terodynaiske størrelser positive. Entalpiændringen relaterer til udveksling af vare ed ogivelserne, ens entropiændringen hænger saen ed ændringer i graden af orden. Koenter, hvad der er den drivende kraft for foldningen af proteinerne i de to tilfælde. Opgave 9: Terisk stabilitet af proteinet Ribonuclease A Ribonuclease A er et vandopløseligt protein, der udskilles fra bugspytkirtlen og edvirker i forbindelse ed fordøjelsesprocessen ved den enzyatiske nedbrydning af ribonucleinsyre (RNA). Ribonuclease A består af 124 ainosyrer og har en olarasse på ca g/ol. Undersøgelser af stabiliteten af Ribonuclease A under opvarning fra 25 til 65 C er angivet i nedenstående tabel. Det antages, at Ribonuclease A udfolder i overenssteelse ed to-trins odellen. T/ C 25,0 26,4 32,0 36,5 44,5 50,0 56,0 60,0 63,5 64,0 64,5 65,0 α 0 0,04 0,18 0,29 0,49 0,63 0,78 0,88 0,96 0,98 0,99 1 Tabel 5: Teperaturen og udfoldningsgraden, α, ved opvarning af proteinet Ribonuclease A fra 25 til 65 C. a) Beskriv proteinets to tilstande, N, den native konforation og, D, den denaturerede for. b) Beste ud fra data i tabel 5 ændringen i ligevægtskonstanten, K, og ændringen i standard Gibbs fri energi, G, so funktion af teperaturen. c) Afbild 1/T so funktion af ln K og T so funktion af G. Benyt en af graferne til at bestee denatureringsteperaturen for Ribonuclease A. Det antages, at ændringen i standardreaktionsentalpien og standardreaktionsentropien er teperaturuafhængig i det undersøgte teperaturoråde. d) Beste standardreaktionsentalpien, H, for denatureringsprocessen. e) Beste standardreaktionsentropien, S, for denatureringsprocessen. 11

12 Opgave 10: Ligandbinding Proteiner spiller en central rolle for reguleringen af en lang række processer i alle levende organiser. De er således en afgørende faktor for, at cellernes aktivitet tilpasses de øjeblikkelige behov. En vigtig ekanise for regulering af cellers aktivitet er proteiners binding af ligander. Ligander kan være så olekyler, ioner, eller andre proteiner, og deres binding kan f.eks. tænde eller slukke for aktiviteten af et enzy og herved regulere hastigheden af en given biokeisk reaktion. Der er stor interesse for at udforske liganders binding til proteiner, og dette arbejde baseres bl.a. på kalorietriske ålinger. Et eksepel på et sådant arbejde er en undersøgelse af bindingen af liganden 2,3- diphosphoglycerat, DPG, (se figuren til højre) til det ilt-transporterende protein hæoglobin. Bindingen af DPG sænker hæoglobins affinitet for O 2 ca. 6 gange. Dette bevirker, at hæoglobinet lettere frigiver O 2 til usklerne, og at ilt-transporten således gøres ere effektiv. DPG har været frehævet so baggrunden for at såkaldt højdetræning forbedre idrætsfolks præstationsniveau. Hvis en atlet f.eks. i nogle uger henlægger sin træning til 4000 højde, stiger DPG koncentrationen i blodet fra den norale værdi, 4,5 M, til ca. 7 M. Bindingen af DPG til hæoglobin, Hb, kan beskrives ved ligevægten a) Opstil et udtryk for ligevægtsloven for (1) Hb + DPG Hb*DPG (1) Ligevægtskonstanten for denne type reaktioner kaldes alindeligvis for bindingskonstanten, K b. En central funktion for beskrivelsen af ligandbinding er ætningsgraden,. Denne størrelse beskriver, hvor stor en gennesnitlig andel af hæoglobinolekylerne, der har et DPG olekyle bundet, og kan skrives = [Hb*DPG] / ([Hb]+ [Hb*DPG]) (2) b) Diskuter hvilke værdier kan antage. Saenlign eventuelt udtrykket i (2) ed udtrykket for fx protolysegraden. Den grundlæggende ligning for beskrivelsen af ligandens binding er = K b [DPG] / (1+ K b [DPG]) (3) c) Udled ligning (3) på basis af ligning (2) og dit svar fra spørgsål a). 12

13 Ved en kalorietrisk åling er 5,00 L af en 3,30 M opløsning af hæoglobin blevet titreret ed en 250 M opløsning af DPG. Målingen er udført således, at hæoglobinopløsningen blev tilsat i alt 15 injektioner DPG på hver 10 µl. So følge af bindingen af DPG til proteinet udvikledes der vare efter hver injektion (reaktionsskea (1) er exoter). En analyse af de rå data gav resultaterne angivet i tabel 6. Injektions nr. Vareudvikling, q, i J Tabel 6 d) Tegn en graf, der viser vareudviklingen for hver injektion (i kj pr. ol tilsat DPG) so funktion af totalkoncentrationen af DPG (i ol/l). Ved totalkoncentrationen, [DPG] total, forstås den salede ængde DPG pr. liter opløsning, dvs. [DPG] total =[DPG]+[Hb*DPG]. e) Diskuter kurvens forløb. Hvorfor er der en stor vareudvikling ved de første injektioner, ens vareudviklingen er næsten 0 od slutningen af ålingerne? f) Tegn en graf, der viser den akkuulerede vareudvikling, Q, so funktion af ængden af [DPG] total. Ved akkuuleret vareudvikling forstås suen af de hidtidige bidrag. F.eks. efter tredje injektion er Q 3 =q 1 +q 2 +q 3. Den akkuulerede vareudvikling er et udtryk for hvor eget Hb*DPG kopleks, der er blevet dannet. Hvis vi går ud fra, at alt hæoglobin har bundet DPG efter de 15 injektioner, er den akkuulerede vareudvikling efter injektion 15, Q 15, altså den entalpiændring, der sker for reaktionen (1), når de 5 l proteinopløsning har reageret fuldstændigt ed DPG. Tilsvarende er Q for de tidligere injektioner et ål for, hvor stor en andel af proteinet, der har reageret. Vi kan derfor beregne ætningsgraden for det i te trin i, so Q i i = Q 15 (4) g) Lav på basis af ligning (4) en ny y-akse til grafen fra spørgsål f), der viser. 13

14 Vi går ud fra, at de koncentrationer DPG, der er angivet i indledningen, for henholdsvis norale ennesker og idrætsfolk under højdetræning, er total koncentrationer (dvs. blodets koncentration af DPG på såvel fri for so i den hæoglobin-bundne tilstand). h) Vurder udfra grafen, hvor stor en procentdel af hæoglobin, der har DPG bundet i et noralt enneske og i en idrætsand under højdetræning. Svaret i h) er af stor betydning for den fysiologiske beskrivelse af DPG, idet det belyser ekanisen for DPGs funktion. En ere generel karakterisering af bindingen er angivelse af bindingskonstanten K b. Vi vil derfor sluttelig finde en værdi for K b udfra resultaterne i tabel 6. Vi har indtil nu fundet en saenhæng elle K b og (ligning 3) og elle Q og (ligning 4). Vi angler iidlertid at kende den frie (aktuelle) koncentration af DPG, [DPG] so indgår i ligning 3. For at finde den benytter vi, at den salede koncentration af DPG, [DPG] total fordeler sig ielle den fri [DPG] og den bundne [Hb*DPG] for. So antydet ovenfor kan dette skrives: [DPG] total = [DPG] + [Hb*DPG] (5) i) Beste den frie koncentration af DPG, [DPG] efter hver injektion. (Hjælp: Brug ligning 2) til at finde [Hb*DPG] ; nævneren i ligning 2, [Hb]+ [Hb*DPG], er hele tiden 3,30 M, altså startkoncentrationen af Hb i kalorietercellen.) j) Tegn en graf, der viser so funktion af de beregnede værdier af [DPG]. Vi betragter nu grafen i j) for den værdi af koncentration af DPG hvor =0,50. Idet vi kalder denne koncentration for [DPG] ½, får vi udfra ligning = K b [DPG] ½ / (1+ K b [DPG] ½ ) (6) k) Vis udfra ligning 6, at K b =1 / [DPG] ½ l) Find K b udfra grafen fra spørgsål j). Opgave 11: Faseovergange i lipidebraner Alle levende organiser består af indst en celle. Et krav der stilles for videnskabeligt at kalde en celle levende er, at den er i stand til at overføre inforation. Et andet fælles træk for alle levende celler er, at de er ogivet af et vandigt iljø, og også inde i cellen, i cytoplasaet, foregår livsprocesserne i et vandigt iljø. Afgrænsningen af cellens indre ed dens livsprocesser fra dens ogivelser sker ved hjælp af celleebranen. Uden celleebranen ville det ikke være uligt at få livsprocesserne til at foregå, da de skal forløbe afgrænset fra ogivelserne og i det rigtige iljø. Mebranen har således so funktion dels at beskytte cellen od påvirkninger udefra, og dels at regulere transporten af stoffer ind og ud af cellen. 14

15 Mebranens iderste del består af en gruppe af afifile olekyler kaldet lipider (lipid = fedt). Lipider har et hydrofilt hoved og en hydrofob del, so består af carbonhydridkæder. I kontakt ed vand vil lipidolekylerne derfor organisere sig i et dobbeltlag af lipider, hvor de hydrofile ender vender ud od ogivelserne (vand) og de hydrofobe ender ind od det andet dobbeltlag. I celleebranen er desuden indlejret en række proteinolekyler. Disse proteiner har betydning for alle celleebranens specielle funktioner. Figur 3: Tværsnit af eukayot celle (forenklet odel). a) Hvilke funktioner har cellens forskellige bestanddele? Hvilke bestanddele er ogivet af en eller anden for for ebran? (Hjælp: Se i en lærebog i biologi eller tal ed en biologilærer.) Figur 4: Skeatisk illustration af en biologisk ebran. I idten ses lipiddobbeltlaget, der består af afifile olekyler ed et vand-opløseligt hoved ((blå) og carbonhydridkæder (rød). I og på ebranen er indlejret proteiner. b) Beskriv hvilke fysiske og keiske kræfter der er edvirkende til at holde en struktur so lipidebranen saen. 15

16 Graden af orden og uorden i ebranens lipiddobbeltlag er helt afgørende for ebranens stabilitet og således også for en lang række fysiologiske funktioner. I en eget sipel odelebran, et såkaldt liposo, hvori der kun indgår en type lipid (en biologisk ebran vil typisk indeholde flere hundrede forskellige slags lipider) undergår terisk inducerede faseovergange. Den est beærkelsesværdige faseovergang er den såkaldte ain transition, hvor organiseringen af lipidolekylerne i dobbeltlaget går fra at ligge tætpakket ed ordnede haler (kaldet gelfasen) til at være løsere pakket ed uordnede haler (kaldet den flydende fase). Figur 5: DSC-terogra, hvor en vandlig opløsning af lipidet dipalitoyl phosphatidylcholin er varet op fra 10 til 60 0 C. Udsnittet viser en forstørrelse af orådet fra 39 0 C til 42 0 C. c) Angiv på figuren, hvor lipidebranen er i gelfasen, og hvor lipidebranen er i den flydende fase. d) Beste fasetransitionsteperaturen eller lipidebranens seltepunkt. e) Beste ændringen i standardreaktionsentalpien, H, for faseovergangen. (Hjælp: Entalpiændringen, H, ved faseovergangen beregnes ud fra arealet under varekapacitetskurven, se eventuelt side 3 i artiklen Mærk varen. Benyt udsnittet til at bestee arealet). f) Beste dernæst ændringen i standardreaktionsentropi, S, for faseovergangen. (Hjælp: Ved en faseovergang er der ligevægt i systeet. Hvilken betydning har det for Gibbs energien, G?) 16