Biokemi: Disulfidbindningar, Energilagring, Enzymer och Proteiner – Svar och Förklaringar

21 a) Vad är en disulfidbindning (svavelbrygga)?

En disulfidbindning är en kovalent bindning som bildas mellan två svavelatomer från aminosyran cystein i ett protein. När två cysteinrester oxideras reagerar deras tiolgrupper (-SH) med varandra och bildar en disulfidbrygga (-S–S-). Denna bindning är stark och bidrar till att stabilisera proteinets tredimensionella struktur, särskilt dess tertiär- och kvartärstruktur.

b) Ge exempel och förklara betydelsen

Ett tydligt exempel är proteinet insulin. Insulin består av två polypeptidkedjor som hålls ihop av disulfidbindningar. Dessa svavelbryggor är avgörande för att proteinet ska få rätt form och därmed kunna binda till sin receptor och utöva sin biologiska funktion. Utan disulfidbindningarna skulle proteinet förlora sin specifika struktur och därmed sin funktion, vilket visar att de är centrala för proteiners stabilitet och aktivitet.

22. Påvisning av reducerande socker med Cu(II)-reagens

Reducerande sockerarter, såsom glukos, kan påvisas med Cu(II)-reagens (t.ex. Benedicts eller Fehlings lösning). Vid en positiv reaktion ändras lösningens färg från blå (Cu²⁺-joner) till röd/orange fällning av koppar(I)oxid (Cu₂O). Detta sker eftersom den reducerande sockerarten oxideras samtidigt som koppar(II)-jonerna reduceras till koppar(I). Reaktionen beror på att reducerande sockerarter har en fri aldehyd- eller ketogrupp som kan fungera som reduktionsmedel.

23. Varför lagrar kroppen energi både som glykogen och fett?

Kroppen använder två olika energilagringssystem eftersom de fyller olika funktioner. Glykogen är en snabbt tillgänglig energikälla som lagras i lever och muskler. Det kan snabbt brytas ner till glukos och användas vid akut energibehov, till exempel vid fysisk aktivitet. Dock är glykogen vattenbundet och därmed relativt tungt att lagra.

Fett däremot lagras i form av triglycerider i fettväv och innehåller mer än dubbelt så mycket energi per gram jämfört med kolhydrater. Fettlagring är därför mycket effektivt för långsiktig energilagring. Nackdelen är att det tar längre tid att mobilisera energi från fett.

Syftet med dessa två system är alltså att kombinera snabb energitillgång (glykogen) med effektiv långtidslagring (fett). Detta ger kroppen flexibilitet att hantera både kortvariga och långvariga energibehov.

24 a) Hur många vätebindningar uppstår mellan kvävebaserna?

De avbildade kvävebaserna är adenin och tymin. Mellan dessa uppstår två vätebindningar. Detta beror på att adenin har två funktionella grupper som kan delta i vätebindning (en vätebindningsdonator och en acceptor), medan tymin har motsvarande grupper som kompletterar dessa. Basparningen är specifik och stabiliseras just av dessa två vätebindningar.

b) Var uppstår vätebindningarna?

Vätebindningarna uppstår mellan väte bundet till kväve i adenin och syre i tymin, samt mellan väte bundet till kväve i tymin och kväve i adenin. Mer specifikt sker en bindning mellan en aminogrupp (-NH) i adenin och en karbonylgrupp (=O) i tymin, och den andra mellan en kväveatom i adenin och en NH-grupp i tymin. Dessa interaktioner gör att baserna passar exakt mot varandra i DNA-dubbelhelixen.

25 a) Var i kroppen verkar amylas?

Munnens saliv

b) Vid vilket pH fungerar amylas bäst?

Av figuren framgår att enzymaktiviteten är som högst vid ungefär pH 7. Detta innebär att amylas har sitt optimum nära neutralt pH, vilket stämmer väl överens med miljön i munnen och tunntarmen.

c) Bestämning av pH-värden

Eftersom absorbansen är proportionell mot mängden maltos (och därmed enzymaktiviteten), kan man koppla hög absorbans till hög aktivitet i diagrammet. Den högsta absorbansen (0,468) motsvarar toppvärdet (C ≈ pH 7). Lägsta absorbansen (0,065) motsvarar lägsta aktivitet (F ≈ pH 9). Övriga värden placeras i relation till kurvans nivåer: cirka pH 6, pH 6,5–7,5 och pH 8 beroende på aktivitetens storlek.

Provrör 1 = 8,5, 2 = 8, 3 = 9,5, 4 = 7,5, 5 = 6,5–7

d) Motivering (rör 3 och 5)

Rör 5 har högst absorbans, vilket innebär störst mängd maltos och därmed högst enzymaktivitet. Det motsvarar optimalt pH (cirka 7). Rör 3 har mycket låg absorbans, vilket innebär låg enzymaktivitet och därmed ett pH långt från optimum, cirka pH 9 där enzymet börjar denatureras eller få förändrad struktur.

26 a) Vad kallas bindningarna mellan aminosyrorna?

Bindningarna mellan aminosyrorna kallas peptidbindningar. De bildas genom en kondensationsreaktion mellan karboxylgruppen hos en aminosyra och aminogruppen hos en annan.

b) Hur många aminosyror ingår?

Genom att räkna antalet peptidbindningar (eller identifiera varje aminosyraenhet) ser man att oligopeptiden består av fyra aminosyror. En tumregel är att antalet aminosyror är en mer än antalet peptidbindningar.

c) N-terminal och C-terminal aminosyra

Den N-terminala aminosyran är den som har en fri aminogrupp (-NH₂), vilket i strukturen är den första till vänster. Denna motsvarar metionin (identifieras genom svavel i sidokedjan). Den C-terminala aminosyran är den som har en fri karboxylgrupp (-COOH), längst till höger, vilket i detta fall motsvarar en aminosyra med en grenad kolvätekedja, alltså leucin.

N: metionin

C: valin

d) Möjlig DNA-sekvens

För att ange en möjlig DNA-sekvens identifierar man först aminosyrorna, exempelvis: Metionin – Serin – Fenylalanin – Leucin (baserat på sidokedjorna). Därefter används den genetiska koden: Metionin: ATG, Serin: t.ex. TCT, Fenylalanin: TTT, Leucin: t.ex. CTT.
En möjlig DNA-sekvens blir då: ATG TCT TTT CTT. Det finns flera möjliga svar eftersom den genetiska koden är degenererad, vilket innebär att flera kodon kan koda för samma aminosyra.

27 a. Mutation och kodonförändring

Glycin kodas av DNA-kodon som exempelvis GGT, GGC, GGA eller GGG. Arginin kodas av kodon som CGT, CGC, CGA, CGG, AGA eller AGG. En möjlig mutation är att en enda bas byts ut, exempelvis från GGT (glycin) till CGT (arginin), vilket innebär att första basen ändras från G till C. Detta är en punktmutation (substitution). Det finns flera möjliga basbyten som kan ge samma resultat beroende på vilket glycin-kodon som utgör utgångspunkt.

b. Var och när mutationen uppstår

För att mutationen ska finnas i hela kroppen måste den ha uppstått tidigt i utvecklingen, exempelvis i en könscell (ägg eller spermie) eller i det befruktade ägget. Då kommer alla celler i organismen att bära mutationen. Mutationen finns kvar eftersom DNA kopieras vid celldelning och felet förs vidare till dottercellerna.

c. Andra möjligheter och sannolikhet

Det finns flera möjliga mutationer som kan leda till att glycin byts ut mot arginin, eftersom flera kodon kodar för båda aminosyrorna. Dock är sannolikheten för en specifik mutation relativt låg, men mutationer sker kontinuerligt och naturligt i celler. Att just en mutation leder till en funktionsförändring i ett viktigt protein är mer ovanligt.

28 a. Varför kokas mjölken?

När mjölk kokas denatureras proteinerna, vilket innebär att deras tredimensionella struktur förändras. Detta kan minska deras förmåga att kännas igen av immunsystemet som allergener. Denatureringen gör alltså proteinerna mindre reaktiva och därmed mindre benägna att utlösa en allergisk reaktion.

b. Varför kan allergiska reaktioner ändå uppstå?

Trots kokning och utspädning kan vissa delar av proteinerna (epitoper) fortfarande finnas kvar och kännas igen av immunsystemet. Dessutom är vissa individer mycket känsliga och reagerar även på små mängder allergen. Immunsystemets minnesceller kan också bidra till en snabb reaktion även vid låga koncentrationer.

29. Omättade fettsyror i kalla miljöer

Fiskar som lever i kalla miljöer, som Ishavet, har en högre andel omättade fettsyror i sina cellmembran. Omättade fettsyror innehåller dubbelbindningar som skapar "böjar" i molekylen, vilket gör att lipiderna inte packas lika tätt. Detta ökar membranets rörlighet (fluiditet).

Vid låga temperaturer tenderar membran att bli stela. Genom att ha fler omättade fettsyror bibehålls membranets flexibilitet och funktion. Fiskar i varmare vatten, som Medelhavet, behöver inte samma anpassning eftersom temperaturen redan bidrar till ökad rörlighet.

30 a. Peptidbindningens struktur

En peptidbindning bildas mellan karboxylgruppen (-COOH) hos en aminosyra och aminogruppen (-NH₂) hos en annan, varvid en vattenmolekyl avges. Bindningen har strukturen -CO-NH-.

b) Resonans och konsekvenser

Resonans innebär att elektronerna i peptidbindningen är delokaliserade mellan kol, syre och kväve. Detta gör att bindningen får partiell dubbelbindningskaraktär. Konsekvensen är att peptidbindningen blir plan och stel, vilket begränsar rotation runt bindningen. Detta påverkar hur proteinet kan veckas och bidrar till stabila sekundärstrukturer som alfa-helixar och beta-flak.

c) Byte av fenylalanin

Fenylalanin är en opolär, hydrofob aminosyra med en aromatisk sidokedja. För att minimera påverkan bör den ersättas med en aminosyra med liknande egenskaper, exempelvis tyrosin eller leucin. Tyrosin är mest lik eftersom den också är aromatisk, även om den har en hydroxylgrupp. Ett sådant byte bevarar proteinets inre hydrofoba miljö och minskar risken för strukturella förändringar.

31 a)

Både stärkelse och gelatin är makromolekyler med egenskaper som gör att de kan binda vatten och andra ämnen, vilket är avgörande för att ge godis dess struktur. Stärkelse är en polysackarid uppbyggd av glukosenheter med många hydroxylgrupper (-OH). Dessa grupper kan bilda vätebindningar med vatten, vilket gör att stärkelsen kan svälla och bilda en gel. Denna gelstruktur kan kapsla in vatten, socker och smakämnen, vilket ger en fast men ändå mjuk konsistens.

Gelatin, som är ett protein (från kollagen), har en tredimensionell struktur som vid upphettning denatureras och vid nedkylning bildar ett nätverk av polypeptidkedjor. I detta nätverk hålls vatten och andra molekyler kvar genom vätebindningar och andra intermolekylära krafter. Gelatinets aminosyror innehåller både hydrofila och hydrofoba delar, vilket gör att det kan interagera med många olika typer av ämnen. Kombinationen av dessa egenskaper gör att både stärkelse och gelatin effektivt kan binda vätska och skapa en stabil struktur i godiset.

b)

Det godis som påverkas mest av att bli slickat på är "Banana bubs", eftersom det innehåller stärkelse. Saliv innehåller enzymet amylas, som bryter ner stärkelse till mindre sockerarter. När godiset kommer i kontakt med saliv börjar amylaset snabbt hydrolysera stärkelsens glykosidbindningar, vilket gör att den gelstruktur som håller ihop godiset bryts ner.

När strukturen bryts ner förlorar godiset sin mekaniska stabilitet, vilket leder till att sprickor och revor uppstår och att det snabbt faller sönder. Gelatinbaserat godis (som "Gröna grodor") påverkas däremot inte lika snabbt, eftersom proteiner inte bryts ner av amylas utan kräver proteolytiska enzymer, vilka inte finns i någon större mängd i saliv. Därför behåller gelatin sin struktur längre vid kontakt med saliv.