Biochemie deel Maandag 18 december 2006, 9.00

Celbiologie 2 (MIB 10306) Biochemie deel
Maandag 18 december 2006, 9.00 - 12.00 uur
-
Begin met het invullen van je naam en registratienummer.
-
Alle antwoorden moeten op het vragenformulier worden ingevuld.
-
Wanneer een uitspraak juist is, moet het betreffende vakje zwart gemaakt worden.
-
Als je bij een uitspraak een nadere toelichting wilt geven, mag dat. Bij gebrek aan ruimte kan
op de achterkant van de bladzijden geschreven worden. Het aantal maximaal te scoren punten
wordt per onderdeel weergegeven.
-
Veel succes
Naam
:
Registratienummer
:
Handtekening
:
1)
Examinator 100% = 10 = 63 punten
Studierichting
:
Benoem (1p) en omschrijf (1p) de vier niet-covalente bindingen of interacties die
bepalend zijn voor de structuur van biomoleculen (DNA en eiwitten).
a) Electrostatische interacties. Aantrekkingskracht tussen
tegenovergesteld geladen groepen. De dielectrische constante
beïnvloedt de interactie. Wordt deze kleiner dan wordt de interactie
sterker.
b) Waterstofbindingen. Een waterstofatoom covalent gebonden aan
een N of O wordt aangetrokken door een N of O. het waterstofatoom
is δ+. De N en O atomen zijn δ-.
c) van der Waals interacties. Een fluctuerende verdeling van de
electronenwolk rondom atomen zorgt voor een geringe polarisatie
(δ+ of δ-) die dan in een nabijgelegen atoom een tegenovergestelde
polarisatie induceert. De tijdelijke partiële ladingen
vertegenwoordigen een onderlinge kleine aantrekkingskracht.
d) Hydrofobe interactie. Water vormt een schil rondom een
hydrofoob molecuul. In deze schil missen de watermoleculen een
aantal vrijheidsgraden die ze wanneer ze omgeven zijn door
watermoleculen wel hebben. Het clusteren van de hydrofobe
moleculen verkleint het aantal gefixeerde watermoleculen. De
toename van de entropie van water is de drijvende kracht achter het hydrofobe effect.
Hierboven is een afbeelding van een stukje van een DNA dubbelhelix weergegeven. De
fosfaatgroepen zijn ‘ingekleurd’. Geef aan welke van de vier hierboven genoemde interacties
bijdragen (positief, negatief of niet) tot de vorming van een dubbelhelix uit de twee
complementaire strengen (4p).
-1-
e)
De electrostatische interactie werkt negatief. De negatief geladen fosfaatgroepen in de twee
ketens stoten elkaar af.
De waterstofbindingen tussen de basenparen dragen niets bij omdat deze de waterstofbindingen
met water vervangen.
Omdat er een optimale stapeling is van de vlakke basenparen in de dubbelhelix geeft de van der
Waals interactie een positieve bijdrage aan de dubbelhelix vorming.
De belangrijkste bijdrage is het hydrofobe effect. Er komt veel water vrij bij het stapelen van de
hydrofobe delen van de baseparen.
2)
Het metabolisme in een cel (bijvoorbeeld een E. coli) lijkt een wonder. E. coli is in staat
uitgaande van eenvoudige grondstoffen (bijvoorbeeld glucose en wat mineralen)
zichzelf te vermenigvuldigen. Geef aan waarom de cel dit kan terwijl we weten dat de
moleculen zich niet spontaan zullen ordenen tot de complexe biomoleculen van een
nieuwe E. coli cel.
Beschrijf het groeiproces in termen van de eerste (2p) en tweede hoofdwet (2p) van de
thermodynamica. Geef ook aan wat de rol van enzymen (2p) is in de processen die
leven mogelijk maken.
De 1ste hoofdwet stelt dat energie niet verloren gaat of gemaakt kan worden maar dat ze in verschillende
vormen kan worden omgezet. De cel neemt glucose op dat wordt omgezet in moleculen die meer geoxideerd
zijn. De hierbij vrijkomende bindingsenergie wordt gebruikt voor allerlei vrije energie vereisende reacties
zoals biosynthese.
De 2de hoofdwet stelt dat bij een spontaan verlopend proces de entropie (graad van wanorde,
willekeurigheid) van het systeem (de cel) en zijn omgeving moet toenemen. Dit bereikt de cel door
moleculen zoals glucose om te zetten in meerdere kleinere moleculen zoals CO2 en H2O (meer deeltjes ΔS
neemt toe) die bovendien meer geoxideerd zijn. Een deel van de bindingsenergie die hierbij vrijkomt wordt
afgegeven als warmte aan de omgeving waardoor het totaal van de ΔS (cel + omgeving) toeneemt (ΔG <0).
Enzymen maken reacties mogelijk door de activeringsenergie van de reactie sterk te verlagen en kunnen vrije
energie leverende reacties aan vrije energie vereisende reacties koppelen door de vorming van een
gemeenschappelijk reactie intermediair.
3)
Geef aan in welke zes eigenschappen (elk 1p) aminozuurzijketens (aminozuurresiduen)
van elkaar verschillen. Deze diversiteit zorgt ervoor dat eiwitten en enzymen zeer
uiteenlopende functies en activiteiten kunnen vervullen. Let op dat je niet twee keer
dezelfde eigenschap beschrijft.
1)
grootte
2)
vorm
3)
lading
4)
het aangaan van een waterstofbinding
5)
hydrofoob karakter
6)
chemische reactiviteit
-2-
4)
Geef de vier niveaus aan waarop men de structuur van een eiwit beschrijft. Beschrijf
wat de verschillende termen betekenen (elk 1p).
1) de primaire structuur is de volgorde van de aminozuren in de polypeptideketen.
2) de secundaire structuur is het opvouwen van de polypeptideketen tot regelmatige
structuren waarbij er in een watervrij deel van een eiwit een optimale hoeveelheid
waterstofbindingen wordt gevormd die verloren zijn gegaan bij het vouwen. De
regelmatige structuren zijn de α-helix, de β-sheet en de β-turn.
3) de tertiaire structuur is het verder opvouwen van de polypeptide keten tot een compacte
structuur. Er zijn soms domeinen te onderscheiden. Dit zijn compacte structuren die
verbonden zijn door een flexibele linker. Delen van de compact gevouwen structuur
kunnen bindingsmotieven bevatten zoals het DNA bindingsmotief het helix-turn-helix
motief.
4) De ruimtelijke orientatie van multisubunit complexen wordt de quarternaire structuur
genoemd.
5)
Wat is competitieve, non-competitieve en irreversibele remming van enzymen? Elk
goed antwoord 1p.
Competitie tussen de remmer en een substraat om dezelfde bindingsplaat.
De binding van de remmer op een andere dan de substraatbindingsplaats vervormt het enzym
zodanig dat de activiteit geheel of gedeeltelijk verloren gaat.
De remmer bindt in het katalytisch centrum en koppelt zich covalent aan een van de
aminozuurzijketens aldaar en laat niet meer los. Het enzymmolecuul is dan volledig inactief.
6)
In het onderstaande figuur staan de structuurformules van aminozuren aspartaat,
serine, lysine en isoleucine. Beantwoord de volgende vragen. Elk goed antwoord 1p
-3-
a)
Welke aminozuurresidu is positief geladen als het aminozuur midden in een polypeptide
keten aanwezig is? De pH is 7. Lysine
b)
Welk aminozuurresidu is basisch?
Lysine
c)
Welk aminozuurresidu is zuur?
Aspartaat
d)
Welk aminozuurresidu kan door een eiwitkinase worden gefosforyleerd? Serine
e)
Welk aminozuurresidu is het meest hydrofoob?
7)
Je bent net begonnen met je afstudeervak en de opdracht is een enzym te zuiveren
waarmee een kwantitatieve bepaling moet worden uitgevoerd. Je kunt kiezen uit drie
enzymen. Enzym één heeft een hoge Vmax en een hoge Km, enzym twee heeft een hoge
Vmax en een lage Km en enzym drie heeft een lage Vmax en een lage Km.
a)
Welke enzym is het meest geschikt om snel lage concentraties van een stof te bepalen? Geef
aan waarom. (2p)
Isoleucine
Enzym 2. Dit enzym heeft een lage Km, werkt dus goed bij lager substraatconcentraties en
heeft een hoge Vmax. Dit geeft per enzymmolecuul een goede omzettingssnelheid.
b)
Is er een enzym dat niet geschikt is voor een kwantitatieve bepaling? De tijdsduur van de
bepaling is in dit geval niet belangrijk, omdat de bepaling ook overnacht kan worden
uitgevoerd. (2p)
De tijd is niet meer belangrijk dus kan elke van de enzymen de reactie katalyseren. De
thermodynamica bepaalt de ligging van het evenwicht (hoever de reactie afloopt) en het
enzym hoe snel dat evenwicht wordt ingesteld.
c)
Welke enzym heeft het hoogste turnovergetal? Geef ook aan waarom dit zo is. (2p)
De enzymen 1 en 2 omdat gegeven is dat deze een hoge Vmax hebben. De Vmax = kcat x
[ET]. Bij een gelijke hoeveelheid enzymmoleculen zegt een hoge Vmax dus dat de kcat hoog
is.
8)
Gegeven zijn de volgende thermodynamische formules:
Voor de reactie A + B
C + D geldt:
ΔG 0 = − RT ln K
ΔG = ΔG 0 + RT ln
eq
[C ].[ D]
[ A].[ B]
De omrekeningsfactor van RTlnX naar log X is: RTlnX = 1.36 log X, R is de gas
constante (cal.mol-1.K-1) en T de temperatuur in graden Kelvin (K).
-4-
De conformatieovergang van een enzym van de conformatie A naar de conformatie B
wordt gestimuleerd door de hydrolyse van ATP tot ADP en fosfaat (Pi). Hoeveel
verandert de ATP hydrolyse onder cellulaire condities de ligging van het evenwicht:
Enzym in conformatie A
Enzym in conformatie B (4p)
Gegeven is dat de ΔG voor de hydrolyse van ATP -7.3 kcal.mol-1 is en de volgende
cellulaire concentraties van ATP, ADP en Pi gelden: ATP = 2 x 10-3 M, ADP = 1 x 10-3 M
en Pi = 4 x 10-3 M
0
Bereken eerst de ΔG voor ATP hydrolyse onder cellulaire condities. Deze ΔG verschuift het
evenwicht. De mate wordt gegeven door de relatie ΔG = -RtlnKeq.
ΔG = -7.3 + 1.36 log ([ADP]x[Pi] / [ATP]) = -7.3 – 3.671 = - 10.971
- 10.971 = - 1.36 log Keq; log Keq = + 8.067; Keq = 116 x 106.
9)
Beschrijf de ATP-ADP cyclus van energie conversie in biologische systemen. (3p)
Energie gebruikende reacties zetten ATP om in ADP en Pi; vrije energie producerende reactie
zetten ADP + Pi om in ATP.
Energiegebruikende reacties zijn: beweging, actief transport, biosynthese, signaalversterking
Energieleverende reacties zijn: oxidatie van voedselmoleculen en/of de fotosynthese
10)
Bedenk zelf een openvraag die op het examen gesteld kan worden en geef het
antwoord. De vraag mag niet in dit examen gesteld zijn bij de vragen 1 - 9. Hiermee
kan je 4 bonuspunten verdienen.
-5-
11)
Geef aan of de onderstaande uitspraken juist zijn (vakje zwart maken= hier #) of niet (niets
doen). Elk goed antwoord geeft 1p.
a)
0
Competitieve remming treedt op wanneer een substraat en een remmend regulatoreiwit samen aanwezig zijn en binden aan het enzym.
b)
#
Niet-competitieve remming van een enzym kan niet tegengegaan worden door het
toevoegen van een overmaat substraat.
c)
0
Metabole routes die brandstofmoleculen omzetten in cellulaire energie noemt men
anabole routes.
d)
0
Een enzym met zijn cofactor gebonden noemt men een apoenzym.
e)
#
Een goed functionerend enzym stabiliseert de overgangstoestand van zijn reactie
f)
#
Een peptidebinding is vlak omdat deze een gedeeltelijk dubbele bindingskarakter
heeft.
g)
#
Een α-helix is een secundair structuurelement in een eiwit
h)
#
β-turns en loops zijn vaak aan het oppervlak van een eiwit te vinden
i)
0
De DNA structuur is afhankelijk van de basevolgorde.
j)
#
De volgorde van de basen van één van de twee DNA strengen bepaalt de volgorde
op de andere streng.
k)
#
De grootte en vorm van de AT en GC baseparen zijn gelijk.
l)
#
Het metabolisme kan geregeld worden door de hoeveelheid enzym te varieren.
m)
#
ATP en NAD hebben een nucleotide gemeenschappelijk.
n)
0
De substraatgebonden fosforylering levert meer ATP op dan de oxidatiegedreven
fosforylering (oxidatieve fosforylering).
-6-