Lesbrief scheikunde in de biologie

lesbrief
Scheikunde in biologie
Voeding/enzymen/vertering
Voor de leerling
Voorkennis
Deze opdracht kun je maken na het bestuderen van hoofdstuk 4 en 5 in Synaps.
Tijd
Om deze opdracht te maken heb je ongeveer twee lesuren nodig.
Werkwijze
Om deze opdracht goed te kunnen maken, dien je de vragen en de bijbehorende
antwoorden kritisch te analyseren.
Opdracht
Lever een opstel in waarin je aangeeft welke wetenschapper zijn baan verliest. Je beargumenteert per vraag wiens antwoord het beste is.
Je beantwoordt de evaluatievragen.
leerdoelen
Hoewel je de leerstof studeert, blijft het soms moeilijk om deze kennis te gebruiken. Met deze
opdracht oefen je met het toepassen van informatie. Na het maken van deze opdracht kun je:
 basale scheikunde (waterstofbruggen en molgewichten) op een biologisch probleem
toepassen.
 basale wiskundige berekeningen op een biologisch probleem toepassen.
 het belang van primaire, secundaire, tertiaire en quartaire structuren voor de functie van een
eiwit beredeneren.
 het opnameproces van alcohol in het bloed herkennen.
 aangeven hoe het resorptieproces op celniveau in de darm verloopt.
 begrijpen hoe enzymen als biologische katalysatoren fungeren.
 begrijpen hoe competitieve en niet-competitieve enzymremmers werken.
 de werking van gal beschrijven.
 je mening beredeneren, verwoorden en onderbouwen.
 hoofd- en bijzaken onderscheiden.
Lees eerst grondig de volgende tekst.
Het bedrijf.
KwikFix is een innovatief farmaceutisch bedrijf met redelijke winstcijfers. De cardiovasculaire (hart en
bloedvaten) afdeling heeft recentelijk een geneesmiddel tegen hoge bloeddruk op de markt gebracht.
Ook heeft de microbiologische (bacteriën) afdeling met een nieuw antibioticum naam gemaakt. Alleen
de gastro-intestinale (maag-darm) afdeling laat niets van zich horen.
Jouw positie: Jij bent hoofd van de gastro-intestinale afdeling. Jullie hebben de beschikking over
informatie en technologie die nodig zijn voor het ontwikkelen van nieuwe verteringsenzymen. Deze
enzymen zijn veel belovend in de behandeling van een aantal verteringsziekten. Ondanks de kennis
en de technische mogelijkheden blijft de ontwikkeling achterwege. In dit sterk concurrerend veld
betekent het uitblijven van resultaten het einde, oftewel, je baan is in gevaar.
Jouw beslissing: Je wilt je goed betalende en leuke baan houden en dus beslis je om de kink in de
kabel op te sporen. Om de situatie in kaart te brengen ga je het functioneren van je werknemers
onderzoeken. Je vermoedt namelijk dat één van de twee "senior scientists" niet op niveau presteert.
Aan deze twee onderzoekers, dr. Arnold van de Veer en dr. Tobias Scholten, heb je een soort toets
gegeven. Beide onderzoekers zijn experts op het gebied van eiwitten, enzymen en het verteringsstelsel.
Wie doet zijn werk niet goed?
Hieronder staan de problemen die aan de wetenschappers v.d. Veer en Scholten zijn voorgelegd:
1. Ethyleenglycol, een koelvloeistof voor auto's, is giftig. Om precieser te zijn veroorzaken
afbraakproducten van ethyleenglycol nierschade. Deze stof wordt door het enzym
alcoholdehydrogenase afgebroken. Alcoholdehydrogenase is hetzelfde enzym dat ook de
alcohol uit bier en wijn afbreekt.
Vraag: Hoe zou je iemand met ethyleenglycolvergiftiging kunnen behandelen?
Antwoord van v.d. Veer: Uit de vraag zie je dat ethyleenglycol een competitieve
remmer van alcoholdehydroge- nase is. Een dergelijke remming kun je opheffen door
extra substraat toe te voegen. M.a.w. je moet de patiënt een stevige borrel geven.
Antwoord van Schoften: Uit de vraag blijkt dat ethyleenglycol op alcohol lijkt. Alcohol
is vetoplosbaar en wordt dus via de maagwand opgenomen. De opname van alcohol
wordt in een volle maag vertraagd omdat de maagwand met voedsel bedekt is. De
patiënt kan dus het beste behandeld worden door hem een stevige maaltijd te laten
nuttigen.
2. Ongeveer 4 van de 100 zwarte mensen lijden aan de ziekte sikkelcelanemie. Bij deze ziekte
functioneert het eiwit hemoglobine van de rode bloedcellen niet goed. Hemoglobine is het
eiwit dat in de longen zuurstof bindt en vervoert naar andere cellen in het lichaam. Bij de
ziekte sikkelcelanemie is er sprake van vervanging van één enkel aminozuur: valine vervangt
glutaminezuur.
Vraag: Hoe komt het dat deze kleine verandering (1 aminozuur van de 150 in totaal) zulke
drastische gevolgen heeft?
Antwoord van v.d. Veer: Valine is wegens zijn restgroep een hydrofoob aminozuur;
glutaminezuur is daarentegen hydrofiel. Deze verandering in primaire structuur die zo
ontstaat, leidt tot een verandering in secundaire en tertiaire structuur omdat de vorming
van waterstofbruggen anders verloopt. De secundaire en tertiaire structuur zijn bepalend
voor de functie van een eiwit.
Antwoord van Schoften: Het hemoglobinemolecuul van sikkelcelanemie heeft een
andere primaire structuur dan het normale molecuul. Elke verandering in primaire
structuur is kritisch voor het functioneren van een enzym.
3. Cyanide en kwik zijn twee niet-competitieve remmers van enzymen. Als ze binden aan een
enzym wordt de functie van het enzym tenietgedaan. De snelheid van een enzymatische
reactie wordt o.a. bepaald door de hoeveelheid enzym.
Vraag: Op welke wijze zal de snelheid van een enzymatische reactie bij een cyanide vergiftiging veranderen?
Antwoord van v.d. Veer: Als de functie van het enzym tenietgedaan wordt, heb je in feite
minder enzym. Een verminderde hoeveelheid enzym vertaalt zich in een lagere
reactiesnelheid.
Antwoord van Schoften: De invloed van cyanide en kwik op de reactiesnelheid is niet te
bepalen. Als een remmer op de goede plek van een enzym bindt. zal het de
reactiesnelheid zelfs kunnen vergroten.
4. Sacharose, onze suiker uit de thee, is een disacharide van glucose en fructose. Glucose en
fructose lossen in water iets beter op dan sacharose. Bij het maken van bonbons met een
vloeibare vulling wordt gebruik gemaakt van enzymtechnologie. De vloeibare vulling bevat een
oplossing van o.a. enkelvoudige suikers, zoals fructose.
Een bonbon wordt gemaakt door het gieten van warme vloeibare chocolade over een vaste
kern. Niettemin heeft het product een vloeibare vulling. (Naar Biochemistry, A. Lehninger,
1982.)
Vraag: Geef een verklaring voor de gevolgde werkwijze.
Antwoord van v.d. Veer: De vaste kern is gemaakt van sacharose. In de warme
chocolade wordt het enzym sacharase toegevoegd. Sacharase splitst sacharose in
glucose en fructose. Hierdoor wordt de vulling vloeibaar.
Antwoord van Schoften: Men doet extra water in de chocolade. Als men deze dunne
chocolade over de suiker giet. neemt de suiker het water uit de chocolade op en lost
daarin op. Dit proces kun je vergelijken met osmose: zout onttrekt ook water aan een
komkommer.
5. Albumine is een belangrijk eiwit in melk. Koe Berta is genetisch gemodificeerd. Albumine in de
melk van deze koe bevat voor 0,58% van het gewicht het aminozuur tryptofaan. Tryptofaan
heeft een molgewicht van 204. Het gemiddelde molgewicht van de aminozuren is 110.
Vraag a: Bepaal het minimum molgewicht van albumine in de melk van Berta.
Vraag b: Een nauwkeurige analyse van dit eiwit stelt het mol gewicht op 70.000. Hoeveel
tryptofaan residuen zitten er in één molecuul albumine?
Antwoord van v.d. Veer:
a Albumine bevat voor 0,58% tryptofaan. Het minimale aantal tryptofaan moleculen is
uiteraard 1. M.a.w. 0,58% van het molgewicht wordt gevormd door minimaal 1
tryptofaan residu. 0,0058/204 = 1,00/x.
x = 35,172. Het minimale gewicht is dus 35000.
b Het molgewicht van een molecuul albumine is 70000. 0,58% hiervan is tryptofaan.
70000 x 0,0058 = 406. Tryptofaan weegt 204. 406/204 = 1,99. Er zitten dus 2
tryptofaanresiduen in een albuminemolecuul.
Antwoord van Schoften:
a Het is onmogelijk een antwoord op deze vraag te geven zonder het aantal aminozuren
in een albuminemolecuul te kennen.
b Het molgewicht van albumine is 70000. 0,58% hiervan is tryptofaan. Voor tryptofaan
geldt dus 70000 x 0,0058 = 406. Het molgewicht van tryptofaan weegt 204. 406/204 =
1 ,99.
Dit betekent dat het eiwit albumine meestal 2 tryptofaanresiduen bezit. Door de
genetische modificatie zijn de moleculen albumine gemuteerd, waardoor ze maar één
tryptofaanresidu bevatten.
6. Verteringsproducten worden uit de dunne darm geresorbeerd. Deze producten worden vanuit
de darm in het bloed opgenomen.
Vraag: Hoeveel celmembranen moet een verteringsproduct passeren om in het bloed
terecht te komen?
Antwoord van v.d. Veer: 4
Antwoord van Schoften: 2
7. Bij sommige mensen is het nodig de galblaas operatief weg te halen.
Vraag: De vertering van welke voedingstof wordt door het weghalen van de galblaas
verstoord? Kunnen deze mensen deze voedingstof nog verteren?
Antwoord van v.d. Veer. De vetvertering verloopt na een galblaasoperatie niet optimaal.
Het enzym lipase wordt nog steeds door de alvleesklier geproduceerd en uitgescheiden.
Alhoewel minder vet voor het enzym beschikbaar is (vet wordt minder goed geëmulgeerd)
kan het toch enig vet afbreken.
Antwoord van Schoften: De vertering van vet is verstoord omdat gal niet meer
opgeslagen wordt. De productie van gal is echter niet verstoord. De gal komt in de
twaalfvingerige darm terecht en emulgeert het aanwezige vet.
8. Boulimia nervosa is een eetstoornis. De belangrijkste verschijnselen zijn onbeheersbare
eetbuien, gevolgd door opzettelijk braken, overmatig gebruik van laxeermiddelen, streng
vasten of diëten en fanatieke lichaamsbeweging, dit alles uit angst voor een te hoog
lichaamsgewicht.
Vraag a: Leidt het slikken van laxeermiddelen tot gewichtsverlies?
Antwoord van v.d. Veer. Nee. Verteringsproducten worden al in de dunne darm opgenomen.
Alle energierijke brandstoffen zijn dus al uit de brij in dikke darm gehaald, voordat een
laxeermiddel zijn effect uitoefent.
Antwoord van Schoften: Jawel. Door het gebruik van een laxeermiddel verliest iemand veel
water. Bovendien gaat de voedselbrij sneller door de darmen heen. Er is dus minder tijd
beschikbaar voor het resorptieproces.
Vraag b; Mensen die aan boulimia nervosa lijden kunnen hun ziekte vaak verbergen. Vaak
kan alleen een tandarts de ziekte aan de hand van tandslijtage constateren. Waardoor
ontstaat deze slijtage?
Antwoord van v.d. Veer. Bij het braken wordt ook maagzuur uitgespuugd. Maagzuur tast het
glazuur van de tanden aan.
Antwoord van Schoften: Patiënten met boulimia nervosa hebben meer last van gaatjes in
hun tanden. Ze eten namelijk vaak erg veel snoep.
Vraag c: Tijdens een eetbui consumeert een dergelijke patiënt een zak snoep. (Snoep bevat
veel rietsuiker of sacharose.) Kan opzettelijk braken direct na de eetbui gewichtstoename
voorkomen?
Antwoord van v.d. Veer. Sacharose is een disacharide en wordt pas in de dunne darm
afgebroken. Braken heeft dus wel degelijk nut.
Antwoord van Schoften: Sacharose is een koolhydraat en wordt al in de mond afgebroken.
Verteringsproducten worden pas in de dunne darm in het bloed opgenomen. Braken heeft dus
wel degelijk nut.
9. Slechts een deel van de wereldbevolking produceert op volwassen leeftijd het enzym lactase.
Lactase splitst de disacharide lactose in twee monosachariden (glucose en galactose). Bij een
groot deel van de wereldbevolking gaat het vermogen om lactase te produceren verloren
tussen het derde en vijfde levensjaar. Aan hongerende mensen in ontwikkelingslanden werd
vroeger nog wel eens melkpoeder gestuurd. De mensen voor wie het melkpoeder bedoeld
was, werden er echter ziek van: ze kregen diarree en konden daardoor zelfs overlijden.
Vraag: Leg uit waardoor melkpoeder bij deze mensen diarree kan veroorzaken.
Antwoord van v.d. Veer. Als lactose niet afgebroken wordt, kan het in de dunne darm niet in
het bloed worden opgenomen. Lactose zorgt voor een hogere osmotische waarde in de dikke
darm en "trekt" als het ware water aan met als gevolg dunne waterige ontlasting. Ook
schadelijke bacteriën worden door de lactose aangetrokken".
Antwoord van Schoften: Hongerende mensen hebben al een tijdje niets (of weinig) gegeten.
Hierdoor raakt de maag van streek. Dit leidt op den duur tot diarree.
Eindevaluatie:
A) Hoe veel tijd heb je aan deze opdracht besteed?
B) Wat vond je moeilijk?
C) Wat was het belangrijkste dat je geleerd hebt?
D) Waarom gingen deze opdrachten zo goed of zo slecht?
E) Hoe zou je het efficiënter kunnen aanpakken?