Egzamin 2018, pytania i odpowiedzi PDF

Preview

Summary

Opracowane zagadnienia do kolokwium...

Description

1.

Wyjaśnij, dlaczego aminokwasy i białka są związkami amfoterycznymi i zdefiniuj termin: punkt izoelektryczny (izoelektryczne pH). Wszystkie aminokwasy są związkami amfoterycznymi, ze względu na występowanie w tych związkach dwóch grup o przeciwnych właściwościach:  grupa aminowa ma właściwości zasadowe



grupa karboksylowa ma właściwości kwasowe

Białka są polimerami aminokwasów i dlatego również należą do związków amfoterycznych. Oznacza to, że sumaryczny ładunek elektrostatyczny ich cząsteczek zależy od pH środowiska i wartości punktu izoelektrycznego (pI) danego białka. W zależności od pH środowiska cząsteczka każdego białka może przybierać formę kationu (gdy pH < pI), anionu (gdy pH > pI) lub amfijonu (gdy pH = pI), co warunkuje siłę jej oddziaływań z innymi jonami i możliwość przemieszczania się w polu elektrycznym. Wartość pI każdego białka jest zdeterminowana przez skład aminokwasowy (strukturę pierwszorzędową) oraz występowanie w cząsteczce grup funkcyjnych, zdolnych do przybierania ładunku, np. grup fosforanowych. Podobnie jak aminokwasy także białka zachowują się podczas podnoszenia wartości pH środowiska (np. podczas miareczkowania silną zasadą, np. NaOH) jak kwasy poliprotonowe, tzn. stopniowo oddysocjowują określoną ilość protonów (H+). Punkt izoelektryczny (pI) jest to pH środowiska (odczyn) w którym cząsteczka aminokwasu staje się obojętna i traci zdolność poruszania się w polu elektrycznym (podczas elektroforezy). Inaczej mówiąc to takie pH, przy którym aminokwas nie jest obdarzony ładunkiem elektrycznym nazywa się jego punktem izoelektrycznym. W punkcie izoelektrycznym aminokwas jest w jednakowy sposób zdysocjowany jako kwas i jako zasada. Dla większości aminokwasów białkowych pI przypada w przedziale pH pomiędzy 5 i 6. Z kolei pI aminokwasów kwasowych jest zbliżony do pH 3, zaś pI aminokwasów zasadowych mieści się w przedziale pH powyżej 7. W pH = pI wszystkie aminokwasy wykazują najmniejszą rozpuszczalność i nie przemieszczają się w polu elektrycznym.

1

2. Narysuj wzór tripeptydu zbudowanego z 3 różnych białkowych aminokwasów i wskaż wiązania peptydowe. (Na pewno będzie)

alanylocysteiloglutaminian / AlaCysGlu / ACE

3. Porównaj rolę biologiczną białek globularnych i włókienkowych. Przedstaw kilka przykładów białek włókienkowych. Białka globularne, których cząsteczki mają średnicę rzędu kilku nm pełnią szereg dynamicznych ról biologicznych. Np. katalizują procesy metaboliczne (enzymy), rozpoznają inne cząsteczki (receptory), regulują metabolizm (hormony), stanowią barierę immunologiczną (przeciwciała), biorą udział w przekazywaniu informacji genetycznej i biosyntezie białek itp. Z kolei wytwarzane przez zwierzęta białka włókienkowe , o silnie wydłużonych cząsteczkach (średnica rzędu kilku nm, zaś długość ponad 100 nm), pełnią rolę strukturalną, podporową (keratyna, kolagen, miozyna i fibroina) i ochronną. Do białek tych należą m.in. kolagen tkanki łącznej, keratyny włosów, rogów, pierza itp., fibroina jedwabiu.

4. Wymień czynniki powodujące denaturację białek i wyjaśnij, na czym polega ten proces. Denaturacja białek – zniszczenie struktury przestrzennej białka (natywnej konformacji) pociągające ze sobą utratę aktywności biologicznej. Denaturacja powoduje rozfałdowanie łańcuchów polipeptydowych, które przybierają niestabilna, ulegającą fluktuacjom konformację tzw. kłębka statystycznego.

2

Czynniki powodujące denaturację białek: a) Zbyt wysoka lub zbyt niska temperatura --> denaturacja termiczna. Białka różnią się termostabilnością czyli odpornością na działanie podwyższonej temperatury, ale większość białek ulega denaturacji termicznej w temperaturze zbliżonej do 100°C. Białka oligomeryczne ulegają też denaturacji po zamrożeniu (temperatura ≤ 0°C).

b) c) d) e) f) g) h)

Zbyt wysokie lub zbyt niskie pH. Obecność alkoholi i innych rozpuszczalników organicznych. Obecność detergentów. Obecność mocznika. Obecność jonów metali ciężkich: Hg+, Pb2+, Ag+ itd. Obecność środków utleniających (chlor i jego związki), H2O2, ozon itd. Obecność promieniowania UV.

5. Przedstaw zasadę podstawowych reakcji wykorzystywanych do identyfikacji: a) aminokwasów, b) białek. (nie będzie na pierwszym terminie) a) reakcja z ninhydryną Wszystkie aminokwasy zawierające pierwszorzędowa grupę aminową reagują w temperaturze 100°C z ninhydryną, dając ciemnoniebieski kompleks. Jedna cząsteczka aminokwasu reaguje z dwiema cząsteczkami ninhydryny, ulegając najpierw dekarboksylacji (grupa -COOH zostaje odłączona jako CO2), a następnie deaminacji (grupa -NH 2 zostaje odłączona). Wskutek tych dwu reakcji aminokwas zostaje przekształcony w aldehyd, który zawiera o jeden atom C mniej. Z kolei, atom azotu zostaje wbudowany w kompleks z dwiema resztami ninhydryny, z których jedna jest zredukowana. Natężenie barwy ciemnoniebieskiego kompleksu jest wprost proporcjonalne do stężenia wolnych aminokwasów w badanej próbce. Spośród 20 aminokwasów białkowych, tylko prolina, która zawiera drugorzędową grupę aminową nie tworzy ciemnoniebieskiego kompleksu metodą z ninhydryną. Stosując tę metodę można nie tylko wykryć wolne aminokwasy, ale także oznaczyć ich stężenie. Metoda ta daje wynik pozytywny także w przypadku jonów amonowych, aminocukrów i amoniaku. b) metoda Lowry’ego

3

Zasada działania: w pH zasadowym białka tworzą błękitny kompleks w reakcji z odczynnikiem fenolowym Folina. Wadą tej metody stanowi to, że wynik pozytywny daje też fenol i jego pochodne. Gdy w roztworze mamy fenol i białko  nie używamy odczynnika Folina, ponieważ wychodzi suma stężeń fenolu i białka.

6. Narysuj wzory 3 różnych monosacharydów i wyjaśnij, dlaczego są to związki redukujące.

Monosacharydy są polihydroksy-aldehydami (aldozy) lub polihydroksyketonami (ketozy). Z tego względu każdy monosacharyd jest cukrem redukującym. W środowisku o zasadowym pH, cukry proste występują w formie otwartego łańcucha, dzięki czemu wykazują właściwości redukujące. Cukry posiadające wolną grupę aldehydową lub ketonową nazywa się redukującymi. Otwarta struktura łańcuchowa powoduje, że tworzą one kompleksy ze wskaźnikami takimi jak jony miedzi wchodzące w skład odczynnika Fehlinga i odczynnika Trommera. Wykryć je można również dzięki reakcji z odczynnikiem Tollensa, czyli amoniakalnym roztworem tlenku srebra.

7. Narysuj wzory 2 różnych disacharydów, jednego redukującego i jednego nieredukującego.

Maltoza – redukujący disacharyd

Sacharoza – nieredukujący

disacharyd

4

8. Narysuj wzory jednego alkoholu cukrowego, jednego kwasu aldonowego i jednego kwasu uronowego. (nie będzie) alkohol cukrowy uronowy

kwas aldonowy

kwas

glikol

9. Wyjaśnij zasadę reakcji stosowanej do ilościowego oznaczania cukrów redukujących. (raczej nie będzie) Do oznaczania stężenia cukrów redukujących jest stosowany alkaliczny roztwór DNS (kwas 3’,5’-dinitrosalicylowy). Cukry są utleniane przez DNS do kwasów aldonowych. Pociąga to redukcję jednej z dwu grup –NO 2 w cząsteczce DNS do grupy aminowej –NH2 (reakcja zachodzi w temperaturze 100°C). Aminowa pochodna DNS jest pomarańczowa w alkalicznym pH (maksimum absorbancji przy 540 nm). Natężenie barwy tej pochodnej jest proporcjonalne do stężenia cukrów redukujących.

5

10. Wyjaśnij zasadę funkcjonowania testu GOD-POD, stosowanego do ilościowego oznaczania glukozy. Oksydaza glukozowa i peroksydaza należą do enzymów oksydoredukcyjnych (klasa 1 enzymów). Oksydaza glukozowa (GOD) katalizuje reakcję utlenienia glukozy do glukono-5-laktonu z jednoczesną syntezą nadtlenku wodoru. H 2O2 jest następnie wykorzystywany przez peroksydazę (POD) do utlenienia leukobarwnika, co powoduje powstanie zabarwionego na różowo barwnika. Intensywność tego zabarwienia jest mierzona przy 500 nm (stosując spektrofotometr).

POD H2O2 + leukobarwnik

H2O + barwnik

Zaletą obu tych reakcji jest to, że są nieodwracalne, co umożliwia całkowitą przemianę glukozy w glukono-5-lakton i powstanie takiej samej ilości cząsteczek nadtlenku wodoru. Reakcja katalizowana przez GOD jest przykładem reakcji pomocniczej, która nie daje łatwo mierzalnego produktu, ale zapewnia absolutną specyficzność substratową. Druga reakcja, katalizowana przez POD jest przykładem reakcji wskaźnikowej, dającej łatwo mierzalny produkt (barwnik). Wadą testu GOD-POD jest to, że daje on wynik pozytywny, nawet w nieobecności glukozy, jeśli badany roztwór zawiera nadtlenek wodoru.

11. Opisz budowę skrobi i wyjaśnij w jaki sposób można łatwo wykryć ten polisacharyd. Skrobia – roślinny polisacharyd zapasowy, magazynowany w formie białych nierozpuszczalnych w wodzie granulek w różnych częściach roślin, np., ziaren zbóż, bulw ziemniaka, liści łodyg lub korzeni. Wielkość i kształt granulek skrobi zależy od pochodzenia botanicznego. Skrobia składa się dwóch różnych α-glukanów tj. amylozy i amylopektyny.

6

fragment łańcucha amylazy amylopektyny

fragment

łańcucha

Niektóre polisacharydy, np. skrobię można łatwo wykryć stosując specyficzne reakcje. W podwyższonej temperaturze helikalna struktura skrobi ulega zniszczeniu, co powoduje rozpad kompleksów inkluzyjnych. Kompleksy inkluzyjne utworzone przez skrobię i roztwór I 2 w KI (tzw. płyn Lugola) są ciemnoniebieskie i dlatego reakcja ta jest wykorzystywana do wykrywania skrobi.

12. Opisz budowę i rozpuszczalność w wodzie skrobi, celulozy i pektyny. Skrobia – roślinny polisacharyd zapasowy, magazynowany w formie białych nierozpuszczalnych w wodzie granulek w różnych częściach roślin, np., ziaren zbóż, bulw ziemniaka, liści łodyg lub korzeni. Wielkość i kształt granulek skrobi zależy od pochodzenia botanicznego. Skrobia składa się dwóch różnych α-glukanów tj. amylozy i amylopektyny.

fragment łańcucha amylazy amylopektyny

fragment

łańcucha

Skrobia nierozpuszcza się w zimnej wodzie (tworzy zawiesinę), a z gorącą tworzy kleik skrobiowy. Kleik skrobiowy jest w istocie koloidalnym roztworem skrobi. Powstaje on na skutek absorpcji wody przez ziarna skrobiowe, powodując pęcznienie ziaren skrobiowych, a następnie rozerwanie międzycząsteczkowych wiązań wodorowych skrobi, z ziaren wypływa amyloza i kolejno amylopektyna.

Celuloza - główny strukturalny polisacharyd roślinny, stanowi ok 50% odnawialnej biomasy wytworzonej na drodze fotosyntezy. Jest liniowym polimerem D-glukopiranozy, której reszty są połączone wyłącznie wiązaniami β-1,4glikozydowymi.

7

fragment łańcucha celulozy Ze względu na zawartą budowę przestrzenną utrzymywaną przez sieć wiązań wodorowych, włókna celulozowe są nierozpuszczalne w wodzie pomimo silnej hydrofilowości. Dzięki hydrofilowości włókna celulozowe pęcznieją w środowisku wodnym. Niektóre pochodne celulozy tworzą roztworu koloidalne w środowisku wodnym. Jedną z takich pochodnych jest karboksymetyloceluloza. Pektyna – strukturalny polisacharyd roślinny o charakterze kwasowym. Rozpuszcza się w zimnej wodzie. W odróżnieniu od celulozy i hemiceluloz, pektyna tworzy w wodzie roztwory koloidalne. Głównym blokiem budulcowym cząsteczek pektyny są reszty kwasu α-Dgalakturanowego.

fragment łańcucha pektyny W kwasowym pH i obecności sacharozy, pektyna tworzy stabilne żele i dlatego stosowana jest w produkcji różnych przetworów owocowo-warzywnych.

13. Napisz równania reakcji katalizowanych przez dwie różne hydrolazy

glikozydowe. 

Reakcja z inwertazą:

8



Reakcja z α-amylazą:

14. Omów rolę biologiczną enzymów i napisz ogólne równanie reakcji enzymatycznej. Enzymy – grupa biokatalizatorów, czyli katalizatorów wytwarzanych przez wszystkie żywe organizmy. Enzymy są również składnikami wirusów (oprócz kwasów nukleinowych). Rola biologiczna: kataliza reakcji chemicznych, przede wszystkim w żywym organizmie, ale też w przemyśle i medycynie. Ogólne równanie reakcji enzymatycznej: E+ S ⇄ ES ⇄ EP ⇄ E + P

Cząsteczki substratów zostają związane w centrach aktywnych enzymów wyłącznie wiązaniami niekowalencyjnymi. Centra aktywne enzymów są komplementarne pod względem wielkości kształtu oraz grup polarnych i niepolarnych do cząsteczek substratów. Charakter oddziaływań pomiędzy cząsteczkami enzymów i substratów powoduje, że enzymy wykonują specyficzność substratową i specyficzność kierunku reakcji, czym różnią się od katalizatorów chemicznych. Specyficzność substratowa polega na tym, że dany enzym katalizuje przemianę albo tylko jednego substratu albo grupy substratów o pokrewnej budowie. Specyficzność kierunku reakcji polega na tym, że dany enzym katalizuje tylko jedna z możliwych przemian danego substratu.

15. Omów rolę biologiczną koenzymów i przedstaw budowę i funkcje wybranego koenzymu. Koenzymy – grupa kofaktorów niezbędnych dla aktywności katalitycznej niektórych enzymów. Wiele koenzymów i grup prostetycznych jest pochodnymi witamin z grupy B, które są witaminami rozpuszczalnymi w wodzie, dlatego są niezbędne dla prawidłowego funkcjonowania organizmu. Wybrane koenzymy:  NAD+/NADP+ - pochodne niacyny (witaminy PP)  NAD+ - dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy  NADP+ - fosforowe NAD+ 9

Koenzym Q = CoQ = ubichinon – jest mobilnym przenośnikiem elektronów i protonów tzw. łańcuchu oddechowym, nie współdziała z żadnym apoenzymem i nie jest pochodną żadnej witaminy.

CoQ forma utleniona

CoQH2 forma redukowana

16. Przedstaw budowę i rolę biologiczną ATP.

ATP - trifosforan adenozyny – pełni funkcję przejściowego magazynu energii metabolicznej uwalnianej w procesach katabolicznych. Energia ta jest zmagazynowana w postaci dwóch wiązań fosfobezwodnikowych. Rozkład tych wiązań powoduje uwolnienie tej energii. Jest ona wykorzystywana w procesach anabolicznych. ATP pełni też rolę donora poszczególnych grup funkcyjnych wchodzących w skład cząsteczki. ADP – difosforan adenozyny AMP – monofosforan adenozyny

17. Wymień czynniki wpływające na szybkość początkową reakcji enzymatycznych i opisz wpływ wybranego czynnika. Czynniki wpływające na szybkość początkową reakcji enzymatycznych: a) stężenie enzymy [E] b) stężenie substratu [S] c) pH środowiska reakcji 10

d) temperatura w której zachodzi reakcja e) obecność aktywatorów i inhibitorów Początkową szybkość reakcji (v0) wyznacza się z krzywej progresji reakcji:

Opis jednego czynnika: c) wpływ pH na V0

Dzwonowy kształt zależności V0 od pH jest konsekwencją amfoteryczności wszystkich białek w tym enzymów; pH środowiska decyduje o formie jonowej enzymu i sile jego oddziaływań z cząsteczkami substratu. W zbyt niskim lub zbyt wysokim pH cząsteczki enzymów mogą ulec denaturacji. Podział optymalnych pH działania znanych enzymów jest bardzo szeroki i waha się od pH ≈ 1,5 do pH ≈ 10,5.

18. Napisz ogólny wzór triacylogliceroli i przedstaw ogólny podział kwasów tłuszczowych. Narysuj wzór jednego nasyconego i jednego wielonienasyconego kwasu tłuszczowego. Przedstaw ogólne równanie reakcji katalizowanych przez lipazy. 

Ogólny wzór triacylogliceroli:

11



Podział kwasów tłuszczowych: a) nasycone b) nienasycone: - mononienasycone (MUFAs) - wielonienasycone (PUFAs)



Wzór nasyconego kwasu tłuszczowego:

Kwas butanowy (anion: butanian) / kwas masłowy (anion: maślan) / 4:0



Wzór wielonienasyconego kwasu tłuszczowego:



Kwas linolowy / 18 : 2Δ 9,12 = 18 : 2ω 6 = 18 : 2n 6 Ogólne równanie reakcji katalizowanych przez lipazy:

19. Narysuj wzór lecytyny i przedstaw funkcjonowanie 4 różnych fosfolipaz, które katalizują hydrolizę wiązań estrowych w tym związku. 12

Lecytyna = fosfotydylocholina

20. Opisz budowę i rolę biologiczną kwasów nukleinowych i wyjaśnij następujące terminy: gen, transkrypcja, translacja. Kwasy nukleinowe – są to liniowe polimery nukleotydów. Nukleotyd – monofosforan nukleozydu Nukleozyd – reszta zasady azotowej + reszta pentozy (β-D-rybofuranozy lub 2deoksy- β-D-rybofuranozy) Podział kwasów nukleinowych: a) rybonukleinowe RNA – zawierają reszty rybozy b) deoksyrybonukleinowe DNA – zawierają reszty 2-deoksyrybozy Rola biologiczna DNA polega na magazynowaniu informacji genetycznej i przekazywaniu jej z pokolenia na pokolenie. Cząsteczki DNA są dwuniciowe. Rola biologiczna RNA polega na współudziale w przekazywaniu informacji genetycznej i w biosyntezie białek. Wyróżnia się 3 podstawowe rodzaje RNA: a) rybosomalny RNA (rRNA) b) informacyjny RNA (mRNA) c) transportowy RNA (tRNA) Wszystkie te rodzaje RNA są zaangażowane w biosyntezy białe. Geny – są to fragmenty cząsteczek DNA kodujące strukturę 1-rzędową, czyli sekwencję aminokwasową białek. Transkrypcja – przejście z DNA na mRNA Translacja – przejście z mRNA na białko

13

21. Wyjaśnij terminy: metabolizm, katabolizm i anabolizm. Metabolizm (katabolizm + anabolizm) – ogół reakcji chemicznych zachodzących w żywym organizmie, uwarunkowany genetycznie i uzależniony od warunków panujących w środowisku (dostępność składników odżywczych, temperatura, stres itp.); większość reakcji metabolicznych jest katalizowana przez specyficzne enzymy i przebieg reakcji metabolicznych podlega ścisłej regulacji m. in. przez specyficzne hormony. Procesy kataboliczne polegają na degradacji i utlenianiu składników odżywczych oraz zużytych składników komórek. Produkty katabolizmu: bloki budulcowe (aminokwasy, monosacharydy, kwasy tłuszczowe itp.) + energia (reakcje utleniania) + odpady (usuwane z organizmu). Procesy anaboliczne polegają na biosyntezie składników organizmu. W procesach anabolicznych wykorzystywana jest energia, która uprzednio została wyzwolona w procesach katabolicznych i przejściowo magazynowana w związkach o wysokiej energii swobodnej, takich jak np. ATP. W procesach anabolicznych są również wykorzystane bloki budulcowe uwolnione w procesach katabolicznych lub bezpośrednio dostarczone w diecie.

Przykłady zadań obliczeniowych – obowiązkowe zaliczenie tej części

1. Przedstaw zasadę ilościowego oznaczania glukozy przy użyciu testu GOD-POD i w oparciu o następujące dane oblicz stężenie glukozy w napoju, który wstępnie rozcieńczono 20 razy a) A500 = 0,2, zaś według krzywej wzorcowej na glukozę wiadomo, że A 500=0,1 odpowiada 0.05 mg glukozy/ml. A 500 0,1 ml y = =2 a= = mg x stężenie 0,05 mg 0,05 ∙ 20=2 C glukozy w napoju =0,2∙ ml 0,1

2. W oparciu o następujące dane oblicz aktywność hydrolazy glikozydowej: 14

a) Roztwór tego enzymu o stężeniu 10 mg/ml rozcieńczono wstępnie 50 razy, b) Apróby właściwej = 0,7, Akontroli=0,2, c) Mieszanina reakcyjna zawierała 0,2 ml roztworu enzymu (tego rozcieńczonego 50 razy i 0,8 ml roztworu substratu, d) Hydrolizę substratu, katalizowaną przez enzym prowadzono przez 5 min, e) Z odpowiedniej krzywej wzorcowej wiadomo, że A=0,1 odpowiada stężeniu produktów reakcji, równemu 0,5mol/ml, f) Wyraź aktywność enzymu w molach produktów reakcji, uwolnionych w ciągu 1 min przez 1 mg enzymu. g) Przedstaw przykłady związków, które są substratami w reakcjach katalizowanych przez hydrolazy glikozydowe i wyjaśnij, jakie są produkty tych reakcji.

15...