Side 1 av 8 NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR BIOTEKNOLOGI Faglig kontakt under eksamen: Institutt for bioteknologi, Gløshaugen Professor Bjørn E. Christensen, 73593327 eller 92634016 EKSAMEN I EMNE TBT4135 BIOPOLYMERKJEMI - LØSNINGSFORSLAG Tirsdag 6 desember 2005 Tid: 09.00-13.00 Hjelpemidler: B1 Typegodkjent kalkulator, med tomt minne, i henhold til liste utarbeidet av NTNU tillatt. Ingen trykte eller håndskrevne hjelpemidler tillatt Studenter som har bestått midtsemesteroppgaven (karakter A eller B) trenger bare å besvare oppgavene 1 til 4. Det gis automatisk 20 poeng for oppgave 5 (av totalt 100) Dette gjelder følgende studenter: 687031, 680781, 654414, 649860, 654477, 681208 Bjørn Erik Christensen 6/12/05 11:25 Comment [1]: Rettet 6/12-05, informert studentene under eksamen
Side 2 av 8 Oppgave 1 a) Forklar kort /gjerne figur) hva som menes med 4 C 1 og 1 C 4 konformasjon hos monosakkarider. Se Figur 4.9 i lærebok b) Nevn 2 eksempler på monosakkarider som forekommer i 4 C 1 konformasjon (nok å oppgi navn). For eksempel D-glukose (både α og β), D-galaktose, D-mannose m.fl. c) Nevn 2 eksempler på monosakkarider som forekommer i 1 C 4 konformasjon (nok å oppgi navn). F. eks. L-guluronsyre, 3,6-anhydro-D-galaktose d) Nevn 2 eksempler på polysakkarider der det kan forekomme diaksiale bindinger mellom monosakkaridene (nok å oppgi navn). For eksempel alginat (GulA-GulA binding), pektin (GalA-GalA) e) En spesiell halvstol-form kan forekomme hos vanlig forekommende monosakkarider under spesielle betingelser. Hvilke betingelser? Halvstol (Fig. 4.9 i lærebok) forekommer som intermediat ved syrehydrolyse av polysakkarider (Fig. 4.44 i lærebok, tilleggskompendium s. 50) Bjørn Erik Christensen 6/12/05 17:44 Comment [2]: Rettet 6/12-06. Informert studentene under eksamen Oppgave 2 a) Hva er råstoffet for industriell produksjon av kitosaner Rekeskall b) Beskriv den kjemiske strukturen til kitosaner (Haworth formler, navn på monosakkarider, bindingstype) Se side 28-29 i tilleggskompendium c) Definer F A og F D for kitosaner Se side 28-29 i tilleggskompendium d) For kitosaner er det observert at F AAD F 2 A (1-F A ). Forklar kort bakgrunnen for dette Se side 28-29 i tilleggskompendium. Pga tilfeldig fordeling av A-enheter (N-acetyl-Dglukosamin) er F AAD F A F A F D ) F 2 A (1-F A )
Side 3 av 8 e) I hvilket ph-område vil du forvente at et kitosan med F A = 0.1 er vannløselig. Begrunn svaret Kitosaner er en polyelektrolytt (et polykation) når ph < pk a -NH + 3 = -NH 2 + H + pk a = ca. 6 Kitosaner er derfor løselige under ph 6 (ca.) Oppgave 3 a) Nevn noen ytre faktorer som kan føre til denaturering av proteiner Se lærebok s. 174 b) Nevn noen eksempler på endringer i proteiners egenskaper som følge av denaturering Se lærebok s. 174-175 c) Hva der det termodynamiske grunnlaget for henholdsvis varmedenaturering og kuldedenaturering? Generelt: Se på likevekt Protein (nativ) Protein (denaturert) For denatureringen gjelder: ΔG m = ΔH m TΔS m. Se figur 7.8 i lærebok. Varmedenaturering skjer når både ΔH m >0 (endoterm reaksjon) og ΔS m >0 Kuldedenaturering skjer når både ΔH m <0 (eksoterm reaksjon) og ΔS m <0 d) Hva er den strukturelle (kjemiske) årsaken til at noen proteiner er stabile ved høy temperatur og denaturerer ved avkjøling? Dette svarer til kuldedenaturering. Skyldes at proteinet har mange aminosyrer med hydrofobe (upolare) R-grupper (jfr. Fig. 3.5 i lærebok). Disse er i nativ tilstand gjemt inni proteinet og danner hydrofobe bindinger som stabiliserer proteinet. Ved denaturering eksponeres disse mot vann. Vannet struktureres og systemet taper entropi. Totalt blir ΔS m <0.
Side 4 av 8 Oppgave 4 Figuren under viser sammenhengen mellom egenviskositet ([η]) og molekylvekt for 3 ulike polysakkarider (A, B og C): 10000 1000 A B C [η] (ml/g) 100 10 1 10 000 100 000 1 000 000 10 000 000 Mw (g/mol) Dataene for A og C er framkommet ved å kombinere size-exclusion chromatography (SEC) med henholdsvis lysspredningsdetektor, konsentrasjonsdetektor og viskositetsdetektor, mens
Side 5 av 8 dataene for B er framkommet ved at ulike prøver er analysert separat med vanlig lysspredning og viskometri (kapillærviskometer). a) Hva er formelen for sammenhengen mellom det spredte lyset uttrykt som Rayleighfaktoren (R θ ), konsentrasjonen (c) og molekylvekten (M)? Forklar øvrige størrelser som inngår i uttrykket. Se lærebok likning 12.30 eller tilleggskompendium s. 63 2 2 Kc 16π R 2 1 1 G θ = + sin +... + 2 Ac 2 2 +... R θ 3λ 2 M b) Bruke figuren (prikkede linjer) til å finne den matematiske sammenhengen (formel) mellom egenviskositet og molekylvekt for hver av polysakkaridene A.-C. Stigningstall og skjæringspunkt bestemmes manuelt. Dette gjøres enklest ved å forlenge linjene slik at de går fra for eksempel M w = 10.000 (10 4 ) til M w = 1.000.000 (10 6 ), dvs Δ log M w = 6-4 = 2. De to avleste [η] verdiene er for polymer A h.h.v. 54 og 3500 => Δ log [η] = log 3500 log 54 = 3.544-1.732 = 1.812. Stigningstallet = Δ log [η]/ Δ log M w = 1.812/2 = 0.91 Skjæringspunktet (S): Siden log M w ligger så langt utenfor arket er det ikke praktisk å finne skjæringspunktet, men kan lett regnes ut via: log [η] (for M w = 10.000) = S + stigningstall (log 10.000) Les av log [η] (for M w = 10.000) = 54 (som før) => S = log 54 0.91 4 = -1.91 => log [η] = -1.91 + 0.91 log M w [η] = 1.22 10-2 M 0.91 w. Tilsvarende for B og C: B: [η] = 8.4 10-6 M 1.36 w. C: [η] = 5.5 10-2 M 0.59 w. Bjørn E. Christensen 8/11/11 19:34 Comment [3]: Rettet 2011 Pga manuell avlesning godtas verdier rimelig nær de oppgitte (± 20% for K, ± 10% for a) c) Hva kan du på bakgrunn av b) si om polysakkaridenes form i løsning? Eksponenten (a) gir informasjon om molekylets form i løsning. Ytterpunkter: Kompakt kule: a = 0, random coil: 0.5-0.6, stiv stav: 1.8. Ut fra dette:
Side 6 av 8 A ligger mellom random coil og stiv stav, trolig litt ekspandert coil B ligger ganske nær en stiv stav, men har noe fleksibilitet C svarer godt til random coil i godt løsningsmiddel d) Hvilke polysakkarider kan dette tenkes å være? Gi en kort begrunnelse. A er alginat, som er kjent som noe ekspandert coil (svar som kitosan, CMC o.l vil også bli godtatt) B er xanthan (dobbelttrådet) C er pullulan (flesibelt pga 1,6-bindinger) Oppgave 5 Fritak for studenter som har bestått midsemesterprøven a) Polyelektrolytter av motsatt ladning vil ofte danne uløselige komplekser dersom de blandes. Et eksempel er pektin og gelatin, som komplekserer i ph-området 4-6. Forklar kort årsaken til at det er begrenset til dette ph-området? Pektin inneholder galakturonsyre (GalA), som har pk a ca 3-4. Det vil derfor være et polyanion over denne ph og kan da vekselvirke med polykationer, men nøytralt under ph 3-4. Siden komplekseringen igjen opphører over ph 6 må gelatin være et polykation under ph 6, som da er lik (ca.) pi (isoelektrisk punkt). Over pi er gelatinet negativt ladd, og vil ikke danne kompleks med pektin. b) Hva er årsaken til at poly-l-lysin (et syntetisk polypeptid) danner α-heliks ved høy ph og er en fleksibel kjede (random coil) ved lav ph? Se fig. 8.4 i lærebok. Ved lav ph er PLL et polykation, som ikke danner α-heliks pga ladningsfrastøting. Ved høy ph er PLL nøytralt, og α-helix tillates c) Ved hvilken ph (ca.) skjer overgangen mellom de to formene? Bjørn E. Christensen 8/11/11 19:34 Comment [4]: Rettet 2011 Se fig. 8.4 i lærebok. Dette sjer omtent ved pk a for aminogruppen/r-gruppen i lysin, som er ca. 10.5 d) Denaturert, høymolekylært gelatin (= denaturert collagen) oppfører seg som en tilfeldig kjede (random coil) i løsning. Regn ut gjennomsnittlig ende-til-ende avstand (<r 2 > 0.5 ) og
Side 7 av 8 treghetsradius (R G ) for en kjede med 200 aminosyrer løst i et θ-løsningsmiddel. Anta at en aminosyre er 0.36 nm lang, samt at karakteristisk forhold (C ) for polymeren er 3.0. Her gjelder formelen: <r 2 > = C nl 2. Innsatt C = 3.0, n = 200 og l = 0.36 nm fås: <r 2 > = 77.76 nm 2 => <r 2 > 0.5 = 8.8 nm e) Forklar kort hvorfor <r> <r 2 > 0.5 for tilfeldige kjeder (random coils)? n r = l ur = 0 for n, n uavhengige vektorer i i= 1 Alternativt: alle ende-til-ende vektorer er like sannsynlige. I sum er de null. r 2 2 C nl = > 0 f) Hvilke egenskaper hos en polymer er med på å bestemme C? Faste bindingsvinkler Hindret rotasjon
Side 8 av 8 VEKTING AV OPPGAVER VED SENSUR: Oppgave Poeng Delsum 1 a 2 16 b 4 c 4 d 4 e 2 2 a 2 14 b 4 c 2 d 2 e 4 3 a 6 18 b 5 c 4 d 3 4 a 5 32 b 12 c 9 d 6 5 a 4 20 b 2 c 2 d 8 e 2 f 2 SUM 100 100 KARAKTERER A: > 85.0 B: > 75.0 C: > 65.0 D: > 55.0 E: > 35.0 F: 35.0