Case opgave : Almen Kemi for Biovidenskab af Morten J. Bjerrum, Kemisk Institut, KU Part 1: rødvin og hvidvin set fra et kemisk synspunkt Vin indeholder ethanol. Dersom vin henstår uden prop bliver indholdet af ethanol oxideret til eddikesyre. 1. pskriv en afstemte reaktionsligning for oxidationen af ethanol til eddikesyre med dioxygen. Angiv ligeledes systematiske navne ( IUPAC-navne ) for ethanol og eddikesyre. Politiet havde før i tiden en ballontest, der blev benyttet til at måle ethanol koncentrationen i udåndingsluften fra personer, der var mistænkt for at have en for høj alkoholpromille i blodet. Processen er baseret på, at ethanol i udåndingsluften under sure omstændigheder oxideres af det stærke oxidationsmiddel kaliumdichromat, samtidigt med at den orange kaliumdichromat bliver reduceret til den grønne chrom(iii) ion. Det er dette farveskift, man benytter som indikator for alkoholpromillen. 2. pskriv en afstemt reaktionsligning for processen. Svovldioxid er et tilsætningsstof, der benyttes i mange levnedsmidler, f.eks. i hvidvin. Svovldioxid mindsker luftens oxidation af vinen, og hindrer vækst og aktivitet af mikroorganismer. Svovldioxid vil reagere med vinen, så en del findes som S 3 -, der eventuelt er bundet til proteiner og andre stoffer som bundet sulfit, mens kun en mindre del er fri som opløst svovldioxid. Totalindholdet af svovldioxid i vin kan bestemmes ved følgende procedure. a) rthophosphorsyre sættes til den vin, der skal undersøges, for at sænke p. erved frigøres alt bundet sulfit som fri S 2 (g). b) erefter kan man ved opvarmning og gennembobling med 2 (g) overføre totalindholdet af svovldioxid som S 2 (g) til en opløsning som har et overskud af hydrogenperoxid. c) Den svovlsyre som dannes ved oxidationen af S 2 med 2 2 kan nu titreres med a 3. pskriv afstemte ionligninger for de kemiske processer i trin a), b) og c) Ved en analyse for svovldioxid og sulfit udtages 40,00 ml af en hvidvin, der overføres til en 100 ml rundbundet kolbe, og der tilsættes 10 ml 25 % orthophosphorsyre. Den sure opløsning opvarmes til kogning og gennembobles i 15 minuter med 2 så al dannet S 2 uddrives. Den frigjorte S 2 opsamles i 10 ml 0,3 % hydrogenperoxidopløsning. Efterfølgende titreres opløsningen med 15,00 ml 0,0100 M a til omslag. 1
4. Beregn den totale molære koncentration af S 2 i den undersøgte vin. 5. I levnedsmiddelbranchen opgives koncentrationer normalt i ppm. vor mange ppm S 2 indeholder den undersøgte vin. Densiteten af vin kan sættes til 1 kg/l Vinsyre og nogle af dens salte anvendes som surhedsregulerende midler i fødevarer: Vinsyre E334, mono- og dinatriumtartrat E335, mono- og dikaliumtartrat E336, kaliumnatriumtartrat E337og calciumtartrat E354. Saltene af vinsyre benævnes tartrater. Vinsyren i vin findes primært som hydrogentartrat. 6. Beregn p i en vin som indeholder 1,72 g natriumhydrogentartrat per liter, dersom det antages at p alene er bestemt af dette salt. Part 2 - Ligevægtskonstanter og biouorganisk kemi Biouorganisk kemi handler om forståelse af biologiske systemer med metalioner som centrale elementer, forståelsen sker på det molekylære plan, og der bruges ofte model-systemer for simplificeringens skyld. Følgende emner er omfattet: absorptionsspektroskopi ligevægtsberegninger, specielt syre-base-kemi koordinationskemi molekylstrukturer og strukturformler Følgende kompetencer trænes: uddragelse af information fra et komplekst materiale og fra en tekst, hvor man ikke nødvendigvis forstår det hele kursorisk læsning evnen til at se tre-dimensionelt beregningsteknik beskrivelse med ord af en kemisk problemstilling databehandling (excel) vurdering af resultater Kemien i biologiske systemer, som er forudsætningen for opretholdelsen af alt liv, skelner ikke mellem uorganisk, organisk og fysisk kemi. Den er tværtimod en kombination af alle retningerne 2
inden for kemien, hvor klassiske uorganiske forbindelser såsom metal- eller phosphationer, kombineres med traditionelle organiske forbindelser som sukkerstoffer og aminosyrer/proteiner, hvorved komplicerede fysisk-kemiske processer opstår. Forskningen i de kemiske processer i biologien, giver ikke alene en forståelse af livets kemi, men danner også baggrund for industriel udvikling indenfor medicinalkemi, levnedsmiddelkemi og bioteknologi. Respiration, som er det samme som ånding eller forbrænding, er betegnelsen for den iltningsproces i en celle, hvor næringsstoffer nedbrydes under dannelse af energi, carbondioxid og vand. Respiration kræver ilt og for menneskets vedkommende fås iltet fra atmosfæren, hvor det fra lungerne via blodbanerne transporteres til cellerne, hvor det kan opmagasineres inden det forbruges. Det dannede carbondioxid transporteres herefter fra cellerne tilbage via blodbanerne til lungerne, hvor det udåndes. Respirationsprocessen kan illustreres med nedenstående stærkt simplificerede reaktionsligninger: (1) b( + ) + 2 b 2 + + (2) b 2 + Mb Mb 2 + b (3) (C 2 ) n + n 2 n C 2 + n 2 CA (4) C 2 + 2 + + C 3 (5) b + + + C 3 b + ----C 3 (6) b + ----C 3 b + C 2 + 2 hvor (1) beskriver at transportproteinet æmoglobin, b, som findes i de røde blodlegemer, optager 2 under samtidig afgivelse af en proton. I (2) afleverer b den optagede 2 til lagringsproteinet Myoglobin, Mb, som findes i musklerne. (3) indikerer forbrændingen, hvor der dannes C 2 og vand, og som i (4) vha af enzymet carbonanhydrase, CA, omdannes til + og C 3. Det dannede + optages af hæmoglobin som samtidig binder C 3 (5), hvorefter hæmoglobin transporterer kulsyren tilbage til lungerne hvor den frigives som C 2 (g) (6). Den afgivne proton jvf. (1) optages igen og det lidt surere miljø hjælper til at frigive C 2 fra blodet. æmoglobin er et såkaldt tetramert protein, dvs. at det består af 4 enheder (subunits). ver enhed består af en globin-del som er et protein på ca 150 aminosyrer og til hver globin-del er der en såkaldt hæm-gruppe indeholdende et jern-atom. Det er til hæmgrupperne at 2 bindes og der kan derfor i alt bindes 4 molekyler 2 per molekyle b ved såkaldt fuld iltmætning. Den samlede 3
molmasse for b er 64,45 kd (inden for biologien angives molmassen relativt i forhold til hydrogen. En Dalton, D, svarer derfor til 1 g/mol og 64,45 kd altså til 64450 g/mol). I gennemsnit er indholdet af hæmoglobin i blodet hos voksen person 15 g b / 100 ml blod. 7. Beregn indholdet i ml af 2 per 100 ml blod ved fuld ilt mætning af b. (P tot = 1 bar og T = 37 C) Den totale mængde ilt, der kan findes i blodet, består af den mængde ilt som er bundet til b plus den mængde ilt, som er opløst i blodet uden at være koordineret (bundet) til b. 8. Beregn den opløste mængde 2 (ml per 100 ml blod) Det oplyses, at konstanten i enry s lov er k = 2,9 mg 2 / (100 ml blod bar); P tot = 1 bar; Vol % ( 2 ) = 21 og T = 37 C. 9. Beregn den totale mængde 2 i 100 ml blod og giv en vurdering af menneskets forbrændingseffektivitet, dersom vi ikke havde hæmoglobin. I forbrændingsprocessen, illustreret i (3), foregår i princippet omdannelsen af næringsstoffer som kulhydrater, proteiner og fedtstoffer til C 2, vand og energi. Det er denne energiudvikling, som skaber muligheden for muskelaktivitet såsom løb og anden bevægelse. Reaktionen som beskrevet i (3) er naturligvis stærkt forenklet og hele processen refererer til en serie af meget komplekse biokemiske redox-reaktioner. Resultatet af disse reaktioner er overordnet, at den frigivne energi fra forbrændingsprocessen bruges til at opbygge stoffet ATP (adenosin triphosphat) ud fra ADP (adenosin diphosphat) og phosphat (7). ATP som findes i cellerne er altså det stof, som oplagrer og leverer energi, når der er brug for dette, f.eks. til musklerne i forbindelse med bevægelse eller elektriske impulser til brug for nerveceller. (7) ADP 3 + P 4 2 + + ATP 4 + 2 Som det kan ses fra tegningen af ATP, har stoffet 4 negative ladninger siddende på phosphatgrupperne. Undersøgelse af pk a - værdierne viser at de tre af grupperne har pk a -værdier svarende til at de er fuldt dissocieret ved neutralt p, mens den sidste har en pk a -værdi på ca 6,6. I biologisk litteratur undlades ladninger ofte. Der skal dog tages højde for ladningerne ved afstemning af reaktionerne 4
. 2 - P P P - - - Fig.1. Tegning af ATP 4-, der viser de tre enheder som ATP er opbygget af: I midten sukker molekylet β-d-ribose, til hvilken basen Adenin er bundet og på den anden side, phosphat grupperne. Energien i ATP er ophobet i phosphatphosphat bindingerne. 10. Vis at det er rimeligt ved biologisk p, (p ca 7,4), at beskrive ATP som ATP 4. Det er den omvendte reaktion af (7), spaltningen af en phosphat-gruppe, hvor ATP bliver til ADP og phosphat, som frigiver den oplagerede energi til cellerne. Som det fremgår af opbygningen af DA er phosphor essentielt for opretholdelse af livet. Udover phosphater indgår på celle- og gen-niveau, indgår forskellige phosphatsalte af calcium i opbygningen af knogler, tænder og tandemalje. Tandemalje består stort set af rent hydroxoapatit, [Ca 5 (P 4 ) 3 ()]. I tandpasta tilsættes ofte fluorid-ioner for at omdanne tandemaljen til fluorapatit, [Ca 5 (P 4 ) 3 (F)], da dette er både hårdere, mere syreresistent og tungere opløseligt. pløselighedsprodukterne, K sp, for hydroxoapatit og fluorapatit er hhv. 2,34 10 59 M 9 og 3,16 10 60 M 9. (8) Ca 5 (P 4 ) 3 () (s) + F Ca 5 (P 4 ) 3 (F) (s) + 11. Beregn ligevægtskonstanten K for ovenstående reaktion (8). 5
I nedenstående tabel ses procent-indholdet over en gennemsnitsfordeling af grundstoffer for en voksen person på 70 kg. Grundstof Masse % xygen 65 Carbon 18 ydrogen 10 itrogen 3 Calcium 1,5 Phosphor 1 Svovl 0,25 Kalium 0,20 Chlor 0,15 atrium 0,15 Magnesium 0,05 Jern 0,006 Zink 0,0033 ydrogen og oxygen indgår i den menneskelige organisme som f.eks. 2. Carbon indgår i alt det organiske. itrogen (og oxygen) indgår i aminosyrer (proteiner). atrium og kalium samt chlor findes som de frie ioner a +, K + og Cl - f.eks i cellerne men også i f.eks. blodplasma (ekstracellulærvæske) som elektrolytter 12. Find vha. af opslag eller internetsøgning eksempler på hvor de andre grundstoffer fra listen indgår i den menneskelige organisme, vis gerne strukturer af udvalgte forbindelser. 6