Masarykova univerzita
Pˇr´ırodovˇ
edeck´
a fakulta
´
Ustav
chemie a NCBR
Zad´
an´ı 2. s´
erie
3. roˇ
cn´ık (2012/2013)
ViBuCh prob´ıh´
a v r´
amci veˇrejn´e zak´
azky Pilotn´ı ovˇeˇren´ı syst´emu popularizace technick´
ych a pˇr´ırodo”
vˇedn´
ych obor˚
u vytv´
aˇren´ım vazeb vysok´
ych ˇskol na ˇskoly niˇzˇs´ıch stupˇ
n˚
u“, kter´a je souˇc´ast´ı IPN Podpora
technick´
ych a pˇr´ırodovˇedn´
ych obor˚
u (PTPO), reg. ˇc. CZ.1.07/4.2.00/06.0005. Financov´ano Evropsk´
ym
ˇ e republiky.
soci´
aln´ım fondem a st´
atn´ım rozpoˇctem Cesk´
Recenze u
´loh:
Gabriel Demo, Miroslav Krepl, Jarom´ır Liter´ak, Luk´aˇs Pravda a Petr Stadlbauer.
c 2012 Michal Babiak, Miroslav Brumovsk´
y, Tom´aˇs Fiala, Luk´aˇs Mikul˚
u a Jan Oppelt
c 2012 Masarykova univerzita
IPN Podpora technických a přírodovědných oborů
Projekt je spolufinancován Evropským sociálním
fondem a státním rozpočtem České republiky.
ViBuCh – Vzdˇel´
avac´ı ikurz pro budouc´ı chemiky
zad´an´ı 2. s´erie (3. roˇcn´ık)
´
Uvodn´
ık
Mil´ı vibuˇsn´ıci,
v´ıtejte u broˇzurky u
´loh druh´e s´erie kurzu. Tentokr´at se pod´ıv´ame trochu hloubˇeji do oblast´ı supramolekul´
arn´ı chemie a bioinformatiky a ˇcek´a na v´as u
´loha z nov´eho t´ematu – rentgenov´e krystalografie.
V doplˇ
nkov´e u
´loze si, nejl´epe s ˇs´
alkem oslazen´eho hork´eho m´atov´eho ˇcaje v ruce, vychutnejte biochemickou
u
´lohu o terpenech. Abychom v´
am zv´
yˇsili motivaci, rozhodli jsme se odmˇenit nejlepˇs´ı ˇreˇsitele jednotliv´
ych
odborn´
ych t´emat vˇecn´
ymi cenami dle vaˇseho v´
ybˇeru. D´ale v´as pros´ıme, abyste pouˇz´ıvali pro kreslen´ı
chemick´
ych vzorc˚
u poˇc´ıtaˇcov´e programy (napˇr´ıklad ChemSketch).
Uz´
avˇerka druh´e s´erie je stanovena na 30.12.2012. Spr´avnou funkci odevzd´av´arny jsme vˇsak schopni
zaruˇcit pouze do 21.12., kdy moˇzn´
a bude konec svˇeta. Pˇripom´ın´ame, ˇze ˇreˇsiteli ViBuChu se m˚
uˇzete st´
at
kdykoliv v pr˚
ubˇehu kurzu a nemus´ıte odevzd´avat ˇreˇsen´ı vˇsech u
´loh. Pokud pˇrem´
yˇsl´ıte, jestli letos ˇreˇsit
ViBuCh, nezapomeˇ
nte, ˇze pˇr´ıˇst´ı rok uˇz to moˇzn´a nestihnete!
Pˇrejeme v´
am spoustu energie a el´
anu do vlekl´
ych podzimn´ıch dn´ı a tˇeˇs´ıme se (snad) na shledanou
u dalˇs´ı s´erie ViBuChu v nov´em roce. Ke zm´ırnˇen´ı strachu z apokalypsy sluˇs´ı uv´est, ˇze existuj´ı kalend´aˇre,
kter´e m´ısto konce svˇeta pˇredpov´ıdaj´ı naopak jeho zaˇc´atek1 .
Kr´
asn´e sv´
atky V´
anoˇcn´ı bez konzumn´ıho shonu a ˇst’astn´
y nov´
y rok!
Za organiz´
atory ViBuChu
Mira
1 http://www.infobaden.cz/2011/11/15/podle-sibirskeho-kalendare-se-neodvratne-blizi-zacatek-sveta/
3
IPN Podpora technických a přírodovědných oborů
Projekt je spolufinancován Evropským sociálním
fondem a státním rozpočtem České republiky.
ViBuCh – Vzdˇel´
avac´ı ikurz pro budouc´ı chemiky
zad´an´ı 2. s´erie (3. roˇcn´ık)
A2 – Supramolekul´
arn´ı skopiˇ
ciny
Autoˇri:
Tom´
aˇs Fiala (e-mail: [email protected])
Luk´
aˇs Mikul˚
u (e-mail: [email protected])
15 bod˚
u
<vtipny uvod> Mil´ı pˇr´
atel´e! (Douf´
ame, ˇze i po minul´e s´erii v´
as tak st´
ale m˚
uˇzeme oslovovat.) Co n´
as
ˇcek´
a v t´eto u
´loze? Podzim je ˇcas deˇst’˚
u, tedy ve znamen´ı spousty kapek. A aby toho nebylo m´
alo, tak v´
am
hned v prvn´ı ˇca
´sti jednu dalˇs´ı naserv´ırujeme. Snad to nebude pro v´
as posledn´ı kapka. S podzimn´ı t´ematikou
pokraˇcujeme i v dalˇs´ı ˇca
´sti, kde se zamˇeˇr´ıme na stromy. Jelikoˇz stromy venku ke konci tohoto roˇcn´ıho
obdob´ı uˇz za moc nestoj´ı, tak v´
am pˇredstav´ıme molekul´
arn´ı stromy. Tˇem je totiˇz opravdu jedno, jestli je
listopad nebo kvˇeten. Aby z v´
as z t´e podzimn´ı atmosf´ery nez˚
ustal jenom uzl´ıˇcek nerv˚
u, tak i tentokr´
at na
v´
as ˇcek´
a supramolekul´
arn´ı hraˇciˇcka, samozˇrejmˇe pln´
a uzl´ıˇck˚
u. Jelikoˇz chceme db´
at na to, abyste nesedˇeli
jenom u poˇc´ıtaˇce, ˇcek´
a v´
as v t´eto ˇc´
asti prvn´ı praktick´y u
´kol. Zafot´ıte si, ale podzimn´ı kr´
asy to urˇcitˇe
nebudou. </vtipny uvod>
1. Kterak se kapka neb´
ala uk´
apnout
Dnes a dennˇe pouˇz´ıv´
ame m´
ydla, prac´ı prostˇredky, a nˇekdy si dokonce i zabublifukujeme. Vˇsech tˇechto
m´enˇe ˇci v´ıce pˇr´ıjemn´
ych ˇcinnost´ı bychom byli zproˇstˇeni, kdyby neexistovaly tenzidy. Jedn´a se o molekuly,
vˇetˇsinou dlouh´e a line´
arn´ı, jeˇz maj´ı jeden konec hydrofiln´ı a druh´
y hydrofobn´ı (obecnˇeji vzato lyofiln´ı,
resp. lyofobn´ı). Po rozpuˇstˇen´ı ve vodˇe sice tyto slouˇceniny mohou tvoˇrit prav´e roztoky, ale jenom do
urˇcit´e, tzv. kritick´e micel´
arn´ı koncentrace. Nad tuto koncentraci se tyto ˇc´astice shlukuj´ı do micel, tedy
supramolekul´
arn´ıch u
´tvar˚
u, ve kter´
ych si schov´avaj´ı“ sv˚
uj hydrofobn´ı konec mezi sebou navz´ajem a ve
”
styku s rozpouˇstˇedlem jsou pouze hydrofiln´ı ˇc´asti. To je mimo jin´e princip fungov´an´ı m´
ydla – micely
zd´
anlivˇe rozpust´ı nepol´
arn´ı neˇcistotu ve vodˇe tak, ˇze ji vt´ahnou do sv´eho stˇredu, a tato hydrofobn´ı
ˇc´
astice pak tvoˇr´ı jak´esi j´
adro dan´e micely. Roztoky micel ale jiˇz nejsou prav´
ymi roztoky, nebot’ velikost
rozpuˇstˇen´
ych ˇc´
astic v nich je pˇr´ıliˇs velk´
a. Takov´
ym roztok˚
um se ˇr´ık´a koloidy a jedn´ım z jejich charakteristick´
ych projev˚
u je tzv. Tyndall˚
uv jev.
´
Ukol
1:
Vysvˇetlete Tyndall˚
uv jev a uved’te pˇr´ıklad jeho projevu v bˇeˇzn´em ˇzivotˇe.
Kritick´
a micel´
arn´ı koncentrace se d´
a zjistit v´ıcero zp˚
usoby, napˇr. konduktometricky, stalagmometricky
nebo na z´
akladˇe solubilizace barviv. Vˇenujme se napˇred poslednˇe zm´ınˇen´e metodˇe. Postup stanoven´ı
kritick´e micel´
arn´ı koncentrace solubilizac´ı ve vodˇe nerozpustn´eho barviva pˇripom´ın´a dobˇre zn´amou titraci.
Pˇriprav´ıme vodnou suspenzi nerozpustn´eho barviva a mˇeˇr´ıme z´avislost absorbance na pˇr´ıdavku roztoku
tenzidu, kter´
y je podstatnˇe koncentrovanˇejˇs´ı, neˇz je oˇcek´avan´a kritick´a micel´arn´ı koncentrace. Po kaˇzd´em
pˇridavku pˇreruˇs´ıme m´ıch´
an´ı, nech´
ame barvivo usadit na dnˇe a mˇeˇr´ıme absorbanci ˇcir´eho roztoku. Aˇz do
urˇcit´eho mnoˇzstv´ı pˇridan´eho tenzidu je absorbance nulov´a a pak zaˇcne line´arnˇe r˚
ust. Namˇeˇren´e hodnoty
se vynesou do grafu a vhodnˇe proloˇz´ı dvˇema pˇr´ımkami. Stanoven´a kritick´a micel´arn´ı koncentrace lze
vypoˇc´ıtat z objemu odeˇcten´eho jako x-ov´
a souˇradnice pr˚
useˇc´ıku tˇechto dvou pˇr´ımek.
Graf 1: Pˇr´ıklad z´avislosti absorbance na objemu pˇridan´eho roztoku tenzidu pˇri mˇeˇren´ı
kritick´e micel´arn´ı koncentrace solubilizaˇcn´ı
metodou
4
IPN Podpora technických a přírodovědných oborů
Projekt je spolufinancován Evropským sociálním
fondem a státním rozpočtem České republiky.
ViBuCh – Vzdˇel´
avac´ı ikurz pro budouc´ı chemiky
´
Ukol
2:
tenzidu.
zad´an´ı 2. s´erie (3. roˇcn´ık)
Vysvˇetlete, proˇc je absorbance nejprve nulov´a a zaˇc´ın´a r˚
ust aˇz od urˇcit´eho pˇridan´eho mnoˇzstv´ı
A nyn´ı jeskyˇ
n´
aˇrsk´
y zp˚
usob“ zjiˇst’ov´
an´ı kritick´e micel´arn´ı koncentrace. Stalagmometrie je metoda,
”
kterou se stanovuje povrchov´e napˇet´ı kapaliny. Z´akladem stalagmometru je kapil´ara, ze kter´e odkap´av´
a
mˇeˇren´
a kapalina. Vzhledem k tomu, ˇze existuje vztah mezi hmotnost´ı kapky a povrchov´
ym napˇet´ım
kapaliny (Tateho z´
akon), pˇrev´
ad´ıme probl´em naˇseho stanovov´an´ı na prost´e v´aˇzen´ı.
m × g = 2πr × σ
m – hmotnost kapky
g – t´ıhov´e zrychlen´ı
r – polomˇer kapil´
ary
σ – povrchov´e napˇet´ı
Tateho z´
akon vych´
az´ı ze skuteˇcnosti, ˇze kapka se utrhne pr´avˇe tehdy, kdyˇz t´ıhov´a s´ıla (p˚
usob´ıc´ı kolmo
dol˚
u) pˇrekroˇc´ı povrchovou s´ılu, kter´
a pout´a kapku ke kapil´aˇre. M´ame-li tedy kapil´aru o definovan´em
polomˇeru, jsme schopni z hmotnosti kapky vypoˇc´ıtat povrchov´e napˇet´ı. Pochopitelnˇe je obt´ıˇzn´e vyrobit
kapil´
aru tak, abychom pˇresnˇe znali jej´ı polomˇer. Proto je obvykle nutn´e stalagmometr zkalibrovat, jin´
ymi
slovy zjistit polomˇer kapil´
ary mˇeˇren´ım nˇejak´e kapaliny se zn´am´
ym povrchov´
ym napˇet´ım. K tˇemto u
´ˇcel˚
um
se vˇetˇsinou pouˇz´ıv´
a voda, kter´
a m´
a pˇri 25,0 ◦ C povrchov´e napˇet´ı 0,07197 N m−1 .
Povrchov´e napˇet´ı vody je zp˚
usoben´e t´ım, ˇze molekuly vody na povrchu nemaj´ı dostateˇcnou stabilizaci
vod´ıkov´
ymi m˚
ustky (viz minul´
a s´erie) s okoln´ımi molekulami vody. Poeticky ˇreˇceno, voda na povrchu mus´ı
kolem sebe trpˇet nepol´
arn´ı plyn a z nedostateˇcn´eho poˇctu pol´arn´ıch kamar´adek je neˇst’astn´a. Bˇeˇzn´
y tenzid
tento probl´em vyˇreˇs´ı stejnˇe elegantnˇe jako pan oprav´aˇr Bl´aha vodn´ı k´amen v praˇcce. Molekuly tenzidu
se rozm´ıst´ı na rozhran´ı voda–vzduch t´ım zp˚
usobem, ˇze hydrofiln´ı skupina se orientuje k vodn´e vrstvˇe,
zat´ımco hydrofobn´ı ˇc´
ast se vystav´ı vzduchu. Voda na b´
yval´em povrchu je nyn´ı spokojen´a, protoˇze si naˇsla
novou pol´
arn´ı kamar´
adku. Z termodynamick´
ych z´akon˚
u v´ıme, ˇze ˇc´ım spokojenˇejˇs´ı molekuly m´ame, t´ım
je syst´em stabilnˇejˇs´ı. Samotn´
a skuteˇcnost, ˇze se na konci kapil´ary tvoˇr´ı kapka, je zp˚
usoben´a pˇr´ıtomnost´ı
hydroxylov´
ych skupin na povrchu skla. To vede ke vzniku pˇritaˇzliv´e s´ıly mezi vodou a sklem, kter´a je
pˇrekon´
ana aˇz t´ıhovou silou p˚
usob´ıc´ı na rostouc´ı kapku.
Z´
avislost povrchov´eho napˇet´ı na koncentraci tenzidu je line´arn´ı a klesaj´ıc´ı pˇred dosaˇzen´ım kritick´e
micel´
arn´ı koncentrace. Po jej´ım pˇrekroˇcen´ı jiˇz povrchov´e napˇet´ı z˚
ust´av´a pˇribliˇznˇe konstantn´ı.
´
Ukol
3:
nemˇen´ı.
Vysvˇetlete, proˇc se povrchov´e napˇet´ı po pˇrekroˇcen´ı kritick´e micel´arn´ı koncentrace jiˇz nad´
ale
´
Ukol
4: Provedli jsme stalagmometrick´e stanoven´ı kritick´e micel´arn´ı koncentrace tenzidu lauryls´ıranu
sodn´eho pˇri 25 ◦ C. Nejprve jsme si stalagmometr zkalibrovali mˇeˇren´ım hmotnosti kapky destilovan´e vody
o zn´
am´em povrchov´em napˇet´ı 0,072 N m−1 . V´aˇzen´ım na analytick´
ych vah´ach jsme zjistili hmotnost
80,0 mg. N´
aslednˇe byla zmˇeˇrena sada roztok˚
u o r˚
uzn´
ych koncentrac´ıch lauryls´ıranu sodn´eho s n´asleduj´ıc´ımi
v´
ysledky:
c / (mol dm−3 )
mkap / mg
0,0030
70,0
0,0060
60,0
0,0090
50,0
0,0120
48,3
0,0150
48,3
0,0180
48,3
c – mol´
arn´ı koncentrace roztoku lauryls´ıranu
mkap – zjiˇstˇen´
a hmotnost kapky dan´eho roztoku
Vypoˇc´ıtejte hodnotu kritick´e micel´
arn´ı koncentrace vodn´eho roztoku lauryls´ıranu sodn´eho. Jak´e povrchov´e napˇet´ı m´
a roztok obsahuj´ıc´ı micely tohoto tenzidu?
5
IPN Podpora technických a přírodovědných oborů
Projekt je spolufinancován Evropským sociálním
fondem a státním rozpočtem České republiky.
ViBuCh – Vzdˇel´
avac´ı ikurz pro budouc´ı chemiky
zad´an´ı 2. s´erie (3. roˇcn´ık)
2. Bylo nebylo v molekul´
arn´ım lese
ˇ
Reck´
e slovo δενδρoν“ (dendron) znamen´a strom. Kdyˇz byly na pˇrelomu 70. a 80. let minul´eho
”
stolet´ı poprv´e syntetizov´
any ˇsiroce vˇetven´e molekuly, jejichˇz vzorce pˇripom´ınaly stromy, byly nazv´any
dendrimery“.
”
Obr. 1: Zn´azornˇen´ı dendrimeru
´
Ukol
5: V autorsk´e dvojici vznikl spor, jestli dendrimery v´ıce pˇripom´ınaj´ı strom nebo pampeliˇsku obalenou zral´
ymi semeny (tedy v tom stavu, kdy do n´ı r´adi fouk´ame za uvolnˇen´ı mnoha mal´
ych paraˇsutist˚
u).
T´
aˇzeme se tedy, kter´e z tˇechto pˇrirovn´
an´ı je V´am bliˇzˇs´ı. Nebo V´as snad napad´a jeˇstˇe nˇeco jin´eho?
Ve stˇredu kaˇzd´eho dendrimeru leˇz´ı tzv. j´adro. Z toho rostou kmeny, z kmen˚
u vˇetve, z vˇetv´ı vˇetviˇcky,
z vˇetviˇcek vˇetviˇciˇcky. . . aˇz na konci jsou l´ısteˇcky. Abychom nemuseli pouˇz´ıvat tˇechto metaforick´
ych v´
yraz˚
u,
byl zaveden pojem generace“. Obvykle z j´adra roste prvn´ı generace (kmen), vˇetve jsou druh´a generace,
”
vˇetviˇcky tˇret´ı atd. Nˇekteˇr´ı autoˇri oznaˇcuj´ı kmen jako nultou generaci a prvn´ı zaˇc´ın´a aˇz od vˇetv´ı. Tato
form´
aln´ı terminologie ale pro n´
as nen´ı d˚
uleˇzit´a.
Obr. 2: Generace poly(amidoamin) dendrimeru (PAMAM).
Nyn´ı se na pˇredchoz´ı odstavec pod´ıv´ame z chemick´e str´anky. Vznik dendrimeru do urˇcit´e m´ıry
pˇripom´ın´
a stupˇ
novitou polymeraci za vyuˇzit´ı jedn´e, nebo dvou monomern´ıch jednotek. Na rozd´ıl od
nejobvyklejˇs´ıch polymerac´ı za vzniku line´
arn´ıch makromolekul je ale v pˇr´ıpadˇe dendrimer˚
u nezbytn´e, aby
ˇ ızen´
monomern´ı jednotky mˇely ve sv´e struktuˇre motiv umoˇzn
ˇuj´ıc´ı vˇetven´ı ˇretˇezce v kaˇzd´e generaci. R´
ym
spojov´
an´ım tˇechto jednotek do oligomeru vznikaj´ı vˇetve dendrimeru. Podle toho, od kter´eho konce stromu
dendrimer pˇripravujeme, rozliˇsujeme divergentn´ı a konvergentn´ı synt´ezu.
Divergentn´ı synt´eza se d´
a kr´
asnˇe pˇripodobnit ke skuteˇcn´emu rostouc´ımu stromu. Z j´adra vyrostou
kmeny, z kmen˚
u vˇetve, atd. Tento synt´ezn´ı postup je zn´azornˇen na n´asleduj´ıc´ım obr´azku.
6
IPN Podpora technických a přírodovědných oborů
Projekt je spolufinancován Evropským sociálním
fondem a státním rozpočtem České republiky.
ViBuCh – Vzdˇel´
avac´ı ikurz pro budouc´ı chemiky
zad´an´ı 2. s´erie (3. roˇcn´ık)
Obr. 3: Divergentn´ı synt´eza dendrimeru
Rozd´ıln´
ym pˇr´ıstupem je konvergentn´ı synt´eza, ve kter´e strom roste od l´ısteˇck˚
u aˇz ke kmeni.
Obr. 4: Konvergentn´ı synt´eza dendrimeru
U dendrimer˚
u rozliˇsujeme tˇri architektonick´e“ u
´rovnˇe:
”
• j´
adro, iniciuj´ıc´ı tvar i zp˚
usob vˇetven´ı
• vnitˇrn´ı, kask´
adovitˇe se vˇetv´ıc´ı struktura, tvoˇren´a opakovan´
ymi strukturn´ımi jednotkami
• vnˇejˇs´ı, povrchov´
a oblast dendrimeru
´
Ukol
6: Nakreslete strukturn´ı jednotky, kter´e tvoˇr´ı jednotliv´e u
´rovnˇe n´asleduj´ıc´ıho dendrimeru (Obr´azek 5).
Obr. 5: Ferrocen dendrimer
7
IPN Podpora technických a přírodovědných oborů
Projekt je spolufinancován Evropským sociálním
fondem a státním rozpočtem České republiky.
ViBuCh – Vzdˇel´
avac´ı ikurz pro budouc´ı chemiky
zad´an´ı 2. s´erie (3. roˇcn´ık)
Nyn´ı od obecn´eho pov´ıd´
an´ı pˇrejdˇeme ke konkr´etn´ımu pˇr´ıkladu synt´ezy.
Obr. 6: PAMAM dendrimer s tris(2-aminoethyl)aminov´
ym j´adrem
Synt´eza tohoto PAMAM dendrimeru prob´ıh´a stˇr´ıdav´
ym opakov´an´ım dvou reakc´ı dle n´asleduj´ıc´ıho
sch´ematu.
O
O
2
H2NCH2CH2NH2
A
R
O CH3
´
Ukol
7:
O
CH3
B
Navrhnˇete mechanismus reakc´ı vedouc´ıch k produktu A a B.
Ne´
upln´
y pr˚
ubˇeh reakce m´
a za n´
asledek, ˇze nezreaguj´ı vˇzdy vˇsechny funkˇcn´ı skupiny na povrchu.
Dendrimer pak nen´ı u
´plnˇe vzrostl´
ym stromem a m´a nˇekter´e vˇetve osekan´e“.
”
´
Ukol
8: Vypoˇc´ıtejte v´
ytˇeˇzek PAMAM dendrimeru 5. generace, bude-li celkov´
y v´
ytˇeˇzek kaˇzd´e skupiny
reakc´ı prodluˇzuj´ıc´ı dendrimer na vˇsech vˇetv´ıch roven a) 50 %, b) 90 %, c) 99 %.
Pozn.: Ch´
apeme, ˇze toto zad´
an´ı m˚
uˇze b´yt matouc´ı, proto kdyˇz V´
as napadne v´ıcero moˇzn´ych interpretac´ı, napiˇste n´
am je a my v´
am sdˇel´ıme, kter´
a je ta spr´
avn´
a.
3. Neruˇ
s mi m´
e kruhy!“ aneb supramolekul´
arn´ı hraˇ
ciˇ
cka ˇ
c. 2
”
V dalˇs´ım d´ıle naˇseho hrav´eho seri´
alu se tentokr´at zamˇeˇr´ıme na cykly a jejich r˚
uznorod´e propl´et´an´ı.
Co maj´ı spoleˇcn´eho ˇretˇez a krouˇzkov´
a koˇsile? Jistˇe by v´as napadla spousta spoleˇcn´
ych vˇec´ı, ale spr´avn´
y
chemik odpov´ı: Oboj´ı jsou katenany.“ Obecnˇe vzato, katenany jsou tvoˇreny dvˇema (nebo i v´ıce) mechan”
icky spojen´
ymi kruhy. A to by nebyli chemici, kdyby nˇeco takov´eho nevytvoˇrili na molekul´arn´ı u
´rovni.
Pro n´
azornost pˇrikl´
ad´
ame obr´
azek.
8
IPN Podpora technických a přírodovědných oborů
Projekt je spolufinancován Evropským sociálním
fondem a státním rozpočtem České republiky.
ViBuCh – Vzdˇel´
avac´ı ikurz pro budouc´ı chemiky
zad´an´ı 2. s´erie (3. roˇcn´ık)
Obr. 7: Pˇr´ıklad katenanu
Samozˇrejmˇe hrav´
ym chemik˚
um nestaˇcil jen spletenec dvou kruh˚
u a pustili se mnohem d´al. D´amy a
p´
anov´e, pˇredstavujeme v´
am olympiadan, dalˇs´ı z molekul´arn´ıch katenan˚
u.
Obr. 8: Olympiadan
Obr. 9: Olympijsk´e kruhy, kter´
ymi byla inspirov´ana synt´eza olympiadanu
In nomine Patris, et Filii, et Spirit¯
us Sancti, amen.
Po d’´
abelsk´e u
´loze o kyselinˇe octov´e z minul´e s´erie, pˇrejdeme do nebeˇstˇejˇs´ıch v´
yˇsin. Jedn´ım ze
z´
akladn´ıch dogmat kˇrest’ansk´e v´ıry, je tzv. trojjedinost boˇz´ı. Ta byla ˇcasto symbolicky zn´azorˇ
nov´ana
u
´tvarem zvan´
ym Boromejsk´e kruhy“ (viz obr´azek).
”
9
IPN Podpora technických a přírodovědných oborů
Projekt je spolufinancován Evropským sociálním
fondem a státním rozpočtem České republiky.
ViBuCh – Vzdˇel´
avac´ı ikurz pro budouc´ı chemiky
zad´an´ı 2. s´erie (3. roˇcn´ık)
Obr. 10: Boromejsk´e kruhy na z´
akladn´ım kameni kostela Trinity Episcopal Church v Bostonu
Co to vlastnˇe je? Jedn´
a se o trojici kruh˚
u, kde je kaˇzd´a dvojice kruh˚
u propojen´a pouze d´ıky tomu
tˇret´ımu, tedy se nejedn´
a o katenany (ˇz´
adn´e dva kruhy nejsou spojeny stylem dva krouˇzky ˇretˇezu“).
”
Neboli rozstˇrihneme-li kter´
ykoliv kruh, pak se cel´
yu
´tvar rozpadne na tˇri ˇc´asti. M˚
uˇzeme je tak povaˇzovat
za dalˇs´ı pˇr´ıklad topologick´e struktury. S jednou z nich, M¨obiovou p´askou, jste se jiˇz setkali v doplˇ
nuj´ıc´ı
u
´loze minul´e s´erie.
´
Ukol
9: Ze tˇr´ı barevnˇe (nebo jinak rozumnˇe) odliˇsen´
ych prov´azku si sestavte vlastn´ı Boromejsk´e kruhy
a poˇslete n´
am foto vaˇseho v´
ytvoru. Fotky necht’ jsou tˇri a demonstruj´ı charakteristickou vlastnost Boromejsk´
ych kruh˚
u, tedy ˇze kaˇzd´e dva kruhy drˇz´ı pohromadˇe pouze d´ıky tomu tˇret´ımu, jak je vidˇet na n´ıˇze
uveden´em obr´
azku.
Obr. 11: Konformace Boromejsk´
ych kruh˚
u, ze kter´
ych je patrn´a jejich charakteristick´a vlastnost
V roce 2004 se skupinˇe prof. Stoddarta podaˇrilo pˇripravit molekul´arn´ı Boromejsk´e kruhy2 .
Obr. 12: Molekul´arn´ı Boromejsk´e kruhy
2 Chichak
K. S., Cantrill S. J., Pease A. R., Chiu S.-H., Cave G. W. V., Atwood J. L., Stoddart J. F.: Science 2004,
1308–1312. doi:10.1126/science.1096914
10
IPN Podpora technických a přírodovědných oborů
Projekt je spolufinancován Evropským sociálním
fondem a státním rozpočtem České republiky.
ViBuCh – Vzdˇel´
avac´ı ikurz pro budouc´ı chemiky
zad´an´ı 2. s´erie (3. roˇcn´ık)
Jejich synt´eza byla v pomˇeru ke sloˇzitosti u
´tvaru natolik jednoduch´a, ˇze se tyto Boromejsk´e kruhy
nyn´ı u nich pˇripravuj´ı studenty ve v´
yukov´
ych laboratoˇr´ıch. I Vy budete m´ıt moˇznost si vyzkouˇset nˇekter´e
z krok˚
u pˇr´ıpravy molekul´
arn´ıch Boromejsk´
ych kruh˚
u, i kdyˇz pouze na pap´ıˇre.
´
Ukol
10:
Doplˇ
nte struktury 1 aˇz 4 v n´
asleduj´ıc´ım reakˇcn´ım sch´ematu:
O
H
OH
SeO2
N
N
O
OH
H
NO2
N
2
H2O2
-O
N+
1
N
N+
O-
O2N
O
OH
3
OH
NaHCO3, Boc2O
Boc
Br- +H3N
H2N
N
H
NH3+
NO2
-O
N+
N+
O-
O
2. CF3COOH
K2CO3
+
4
Boc
O2N
1. NaH2PO2, Pd/C
OH
N
H
H
H
N+
N+
O
NH3+
´
Ukol
11: Co znamen´
a zkratka Boc? Nakreslete vzorec slouˇceniny Boc2 O a vysvˇetlete d˚
uvod pouˇzit´ı
skupiny Boc v synt´ezn´ım procesu.
11
IPN Podpora technických a přírodovědných oborů
Projekt je spolufinancován Evropským sociálním
fondem a státním rozpočtem České republiky.
ViBuCh – Vzdˇel´
avac´ı ikurz pro budouc´ı chemiky
zad´an´ı 2. s´erie (3. roˇcn´ık)
Obr. 13: Synt´eza molekul´arn´ıch Boromejsk´
ych kruh˚
u
Doporuˇcujeme, abyste vaˇsi ctˇenou pozornost upˇreli na v´
yˇse uveden´e barevn´e sch´em´atko. Co znamenaj´ı
jednotliv´e barevn´e prouˇzky a ohyby je nejsp´ıˇse patrn´e – jedn´a se o d´ıly skl´adaˇcky, kter´e jste nasyntetizovali v podot´
azce 3.2 a kter´e nakonec vytvoˇr´ı tˇri cykly. Kdyˇz sm´ıch´ame tyto dva typy d´ılk˚
u ( zat´aˇcky
”
a rovinky“) se zineˇcnat´
ymi ionty, jednotliv´e d´ıly se samy vhodnˇe uspoˇr´adaj´ı do neuzavˇren´
ych Boromejsk´
ych kruh˚
u. Koneˇcn´e, kovalentnˇe v´
azan´e kruhy vzniknou reakc´ı aminoskupin rovinek s aldehydick´
ymi
skupinami zat´
aˇcek. Cel´
a tato synt´eza je hezk´
ym pˇr´ıkladem dvou jev˚
u v´
yznamn´
ych pro supramolekul´arn´ı
chemii, tzv. self-assembly (samouspoˇr´
ad´
an´ı) a templ´atov´
y (ˇsablonov´
y) efekt.
Self-assembly se projevuje u rovinek, kter´e samovolnˇe zaujmou z´arodeˇcn´
y tvar stabilizovan´
y π-π
stackingem (pod´ıv´
ate-li se pozornˇe na krystalovou strukturu na obr´azku 12, tak je vrstven´ı aromatick´
ych
jader patrn´e).
Zineˇcnat´
y kationt zde pak funguje jako mucholapka“ na vˇsechny voln´e elektronov´e p´ary dus´ık˚
u, kter´e
”
poletuj´ı v okol´ı. Kationt se nejprve nav´
aˇze na bipyridinov´e dus´ıky rovinky, n´aslednˇe je obklopen elektronovˇe bohat´
ymi atomy zat´
aˇcky. T´ımto uspoˇr´ad´an´ım se dostanou do bl´ızkosti jiˇz zm´ınˇen´e aminoskupiny
a karbonyly, kter´e pak v posledn´ım kroku zreaguj´ı za uzavˇren´ı vˇsech tˇr´ı cykl˚
u.
Pt´
ate se, k ˇcemu takov´
ato molekula je? Samozˇrejmˇe, ˇze k niˇcemu. Je to pˇrece molekul´arn´ı hraˇciˇcka!
Stejnˇe se ale tato synt´eza dostala do prestiˇzn´ıho ˇcasopisu Science. Ono koneckonc˚
u u mnoha objev˚
u se
zprvu zd´
alo, ˇze nebudou m´ıt praktick´e vyuˇzit´ı.
12
IPN Podpora technických a přírodovědných oborů
Projekt je spolufinancován Evropským sociálním
fondem a státním rozpočtem České republiky.
ViBuCh – Vzdˇel´
avac´ı ikurz pro budouc´ı chemiky
zad´an´ı 2. s´erie (3. roˇcn´ık)
B2 – Predikce struktury a vlastnost´ı protein˚
u za pomoci bioinformatick´
ych n´
astroj˚
u
Autor:
Jan Oppelt (e-mail: [email protected])
14 bod˚
u
Z´
ahada sekund´
arn´ı struktury
A m´
ame tu druhou s´erii u
´loh. V t´e minul´e jsme se sezn´amili s obecn´
ymi z´aklady, s rozdˇelen´ım struktur
a s metodami, kter´
ymi se daj´ı experiment´alnˇe zjistit. Trochu jsme si naznaˇcili, co budeme d´al dˇelat a
jak´e jsou moˇznosti predikov´
an´ı. V t´eto ˇc´
asti si pˇribl´ıˇz´ıme sekund´arn´ı strukturu proteinu a tak´e to, jak se
d´
a odhadnout.
Znalost sekund´
arn´ı struktury (pravideln´e prostorov´e uspoˇr´ad´an´ı kr´atk´eho u
´seku aminokyselin v polypeptidov´em ˇretˇezci) je velice d˚
uleˇzit´
a. Nejen, ˇze n´am pom´ah´a odhalit z´akladn´ı vlastnosti protein˚
u, ale
dok´
aˇze n´
am i poradit s identifikac´ı funkˇcn´ıch dom´en proteinu, jeho klasifikac´ı nebo pomoci pr´avˇe pˇri
predikci 3D struktury. Funkˇcn´ı dom´enou rozum´ıme vlastnˇe kombinaci sekund´arn´ı a terci´arn´ı struktury,
kter´
a n´
am ˇr´ık´
a, co dan´
a ˇc´
ast proteinu dˇel´
a a jestli se bude tˇreba cht´ıt v´azat s dalˇs´ımi prvky a to at’ uˇz
proteiny nebo nukleov´
ymi kyselinami.
Nejzn´
amˇejˇs´ımi prvky sekund´
arn´ı struktury jsou α-ˇsroubovice, β-list (β-sheet). D´
ale pak r˚
uzn´e typy smyˇcek (loop)
a ohyb˚
u (turn). U α-ˇsroubovic jeˇstˇe nesm´ıme zapomenout,
ˇze existuj´ı i jin´e ˇsroubovicov´e prvky neˇz jen ty α (napˇr. 310
ˇsroubovice nebo π-ˇsroubovice). Ty se hlavnˇe liˇs´ı hodnotami π
aψu
´hl˚
u proteinov´e p´
ateˇre (Obr´
azek 1), kter´
ymi jsou mimochodem i pˇresnˇe definov´
any jednotliv´e sekund´arn´ı struktury.
U ˇsroubovic m˚
uˇzeme ˇr´ıci, ˇze je rozpozn´
ame hlavnˇe t´ım, jak
jsou utaˇzeny“. Kdyˇz porovn´
ame u
´sek se stejn´
ym poˇctem
”
Obr. 1: Torzn´ı u
´hly proteinov´e p´ateˇre
residu´ı, tak podle velikosti“ by to bylo n´asledovnˇe – π”
kde
jsou
vidˇ
e
t
u
´
hly
π, ψ a ω. Uhl´ıky C
-ˇsroubovice < α-ˇsroubovice < 310 ˇsroubovice (Obr´azek 2).
alfa
jsou
uhl´
ıky
soused´
ıc´ıch residu´ı, +1
Liˇs´ı se tak´e t´ım, jak jsou ˇsirok´e a kolik aminokyselin je zaznamen´
a
n´
a
sleduj´
ıc´
ı
aminokyselina
aR
potˇreb´ı na jednu otoˇcku.
pˇ
r
edstavuje
jejich
boˇ
c
n´
ı
ˇ
r
etˇ
e
zec
Tyto u
´hly jsou zakreslov´
any do tzv. Ramachandranova diagramu, kde jednotliv´e kombinace hodnot maj´ı pˇresnˇe dan´e
oblasti (Obr´
azek 3). Pomoc´ı anal´
yzy Ramachandranova diagramu se d´
a tak´e urˇcit, jestli je dan´
a struktura spr´avn´a nebo
ne. Pokud jsou u
´hly v jin´
ych lokac´ıch, neˇz ve kter´
ych se maj´ı
nach´
azet, tak zjist´ıme, ˇze struktura nebyla urˇcena pˇresnˇe a
je nutno ji pˇrezkoumat.
R˚
uzn´e typy protein˚
u maj´ı r˚
uzn´e zastoupen´ı jednotliv´
ych
sekund´
arn´ıch struktur. Tak tˇreba fibril´
arn´ı proteiny (napˇr.
keratin, kter´
y je hojnˇe obsaˇzen ve vlasech, chlupech nebo
nehtech) obsahuje pˇrev´
aˇznˇe α-ˇsroubovice. Kdeˇzto tˇreba aktin (ve svalech pom´
ah´
a pˇri pohybu), kter´
y se ˇrad´ı mezi
globul´
arn´ı proteiny (kulovit´e), m´
a rovnomˇern´e zastoupen´ı
obou z´
akladn´ıch typ˚
u struktur (α i β).
Sekund´
arn´ı struktury se jeˇstˇe d´
ale spojuj´ı dohromady za
pomoc´ı ohyb˚
u a tvoˇr´ı tzv. supersekund´
arn´ı struktury. Nejjednoduˇsˇs´ım pˇr´ıkladem je supersekund´
arn´ı struktura jm´enem
β-vl´
asenka. Jsou to dvˇe antiparaleln´ı (opaˇcnˇe orientovan´e)
β-vl´
akna, kter´e jsou spojen´e ohybem (Obr´azek 4). Mezi sebou je pak drˇz´ı vod´ıkov´e vazby. Supersekund´arn´ı struktury
ˇ
Obr. 2: Sroubovice
zleva α-ˇsroubovice,
310 ˇsroubovice a π-ˇsroubovice
13
IPN Podpora technických a přírodovědných oborů
Projekt je spolufinancován Evropským sociálním
fondem a státním rozpočtem České republiky.
ViBuCh – Vzdˇel´
avac´ı ikurz pro budouc´ı chemiky
zad´an´ı 2. s´erie (3. roˇcn´ık)
nemus´ı b´
yt sloˇzen´e pouze ze stejn´
ych prvk˚
u. Mohou to b´
yt
i r˚
uzn´e kombinace ˇsroubovic a β-vl´
aken.
Pokud by n´
as zaj´ımalo prostorov´e uspoˇr´ad´an´ı sekund´arn´ıch struktur, mus´ıme prozkoumat takzvan´
y proteinov´
y fold,
kter´
y pro n´
as bude velice d˚
uleˇzit´
y pozdˇeji pˇri predikci 3D
struktury protein˚
u, takˇze o nˇem pov´ıme v´ıce aˇz v pˇr´ıˇst´ı s´erii.
Jenom nakousnu, ˇze se pak d´
ale dˇel´ı na alfa proteiny, beta
proteiny, alfa/beta protein a tak d´
ale.
A proˇc se vlastnˇe proteiny skl´
adaj´ı? Chtˇej´ı m´ıt totiˇz co
nejmenˇs´ı energii. To stejn´e plat´ı i u lid´ı. Kdyˇz si m˚
uˇzete vybrat, jestli si lehnete nebo bude st´
at, tak si radˇeji lehnete =
m´
ate menˇs´ı energii. Ta se d´
a pomˇernˇe hodnˇe sn´ıˇzit t´ım, ˇze
protein nakrm´ı“ vˇsechny moˇznosti vzniku vod´ıkov´e vazby.
”
Z toho ˇc´
asteˇcnˇe m˚
uˇzeme vych´
azet i pˇr´ı n´
asleduj´ı klasifikaci.
Nˇekter´e aminokyseliny se nˇekter´e radˇeji vyskytuj´ı ve
ˇsroubovic´ıch, nˇekter´e v β-vl´
aknech a nˇekter´e v ohybech.
Samozˇrejmˇe je tu pomˇernˇe hodnˇe v´
yjimek potvrzuj´ıc´ıch
pravidlo (jako u vˇseho). Kolikr´
at tedy nelze pˇresnˇe ˇr´ıci, kdy
ˇsroubovice zaˇc´ın´
a a kdy konˇc´ı. N´
asleduj´ıc´ı preference jednotliv´
ych aminokyselin byly zjiˇstˇeny na z´
akladˇe experiment˚
u.
a) N´ıˇze uveden´e aminokyseliny se snaˇz´ı um´ıstit postrann´ı
ˇretˇezce tak, aby vytv´
aˇrely co nejv´ıce vod´ıkov´
ych vazeb
s dalˇs´ımi ˇretˇezci (vˇetˇsinou je to smˇerem dovnitˇr struktury)3 .
Obr. 3: Ramachandran˚
uv diagram
s vyznaˇcen´
ymi u
´hly a hodnotami pro
jednotliv´e typy sekund´arn´ıch struktur
Aminokyseliny, kter´
e maj´ı preference b´
yt ve
ˇ
sroubovici: Ala, Leu, Met, Phe, Glu, Gln, His, Lys,
Arg. Cys.
b) Aminokyseliny, kter´e maj´ı velk´e, rozvˇetven´e nebo jinak
objemn´e postrann´ı ˇretˇezce, se radˇeji spojuj´ı do β-vl´aken
a list˚
u.
Aminokyseliny, kter´
e maj´ı preference b´
yt v β-vl´
aknech: Tyr, Trp, (Phe, Met), Ile, Val, Thr, Cys.
c) A tyto aminokyseliny jsou zn´
am´e jako rozb´ıjeˇce“ nebo
”
mˇeniˇce“ sekund´
arn´ıch struktur. K tomu jim pom´ahaj´ı
”
jejich postrann´ı ˇretˇezce. Tito rozb´ıjeˇci“ jsou ˇcasto
”
v otoˇck´
ach a spojuj´ı r˚
uzn´e sekund´
arn´ı struktury mezi
sebou.
Obr. 4: Antiparaleln´ı β-list sloˇzen´
y
z β-vl´aken, kter´e jsou spojen´e ohyby
Aminokyseliny, kter´
e maj´ı preference slouˇ
zit
jako rozb´ıjeˇ
ci/mˇ
eniˇ
ci“: Gly, Pro, Asp, Asn, Ser.
”
Zaj´ımav´e je, ˇze nen´ı ˇz´
adn´
a pˇr´ım´
a spojitost mezi chemickou podstatou boˇcn´ıho ˇretˇezce aminokyseliny
a jej´ıho preferenˇcn´ıho v´
yskytu. Tak napˇr´ıklad – Glu a Asp jsou si velice podobn´e chemicky (mohou b´
yt
ˇcastokr´
at zamˇenˇeny bez jak´ehokoliv efektu na proteinovou aktivitu) a pˇritom Glu je nejˇcastˇeji k nalezen´ı
ve ˇsroubovic´ıch a Asp v β-vl´
aknech. Jin´
y pˇr´ıklad m´a lepˇs´ı a jednoduˇsˇs´ı vysvˇetlen´ı. Gly je k nalezen´ı
ˇcasto v otoˇck´
ach. Je to t´ım, ˇze m´
a jen jeden vod´ıkov´
y atom na boˇcn´ım ˇretˇezci, takˇze m´a mnohem vetˇs´ı
flexibilitu neˇz ostatn´ı aminokyseliny a proto ho protein umist’uje na ohebn´e ˇc´asti. U Pro je to o trochu
vtipnˇejˇs´ı. Jednoduˇse jeho amino skupina tvoˇr´ı rigidn´ı (pevn´e, tuh´e) peptidov´e vazby (tu vid´ıme i na
3 Pro oznaˇ
cen´ı aminokyselin budu pouˇ
z´ıvat pouze tˇr´ıp´ısmenn´
e zkratky, jejichˇ
z vysvˇ
etlen´ı naleznete napˇr´ıklad zde
http://cs.wikipedia.org/wiki/Aminokyselina.
14
IPN Podpora technických a přírodovědných oborů
Projekt je spolufinancován Evropským sociálním
fondem a státním rozpočtem České republiky.
ViBuCh – Vzdˇel´
avac´ı ikurz pro budouc´ı chemiky
zad´an´ı 2. s´erie (3. roˇcn´ık)
Obr´
azku 1, kde je mezi C=O a N+1), kter´e nemohou b´
yt pojmuty ani α-ˇsroubovic´ı ani β-listem, takˇze
proteinu nezbude nic jin´eho, neˇz ho d´
at do otoˇcek nebo smyˇcek.
Jedn´ım z nemil´
ych probl´em˚
u je ale to, ˇze u
´plnˇe pˇresn´e definice sekund´arn´ı struktury neexistuj´ı.
Je nˇekolik r˚
uzn´
ych metod pro jej´ı definov´an´ı a kaˇzd´a m˚
uˇze poskytovat trochu jin´e v´
ysledky. Pˇr´ıklady
takov´
ychto metod jsou DSSP, STRIDE, DEFINE, SST. Na obr´azku (Obr´azek 5) vid´ıme, ˇze odliˇsnost´ı
m˚
uˇze b´
yt pomˇernˇe hodnˇe. Pro zn´
azornˇen´ı jsme pouˇzili GFP (zelen´
y fluorescenˇcn´ı protein) z minul´e s´erie.
DSSP a STRIDE jsou r˚
uzn´e typy klasifikace a Author Sec.Struc. je sekund´arn´ı struktura z prvn´ı autorsk´e
publikace (tedy od toho, kdo strukturu vytvoˇril a nahr´al do datab´aze). Fialov´a sekund´arn´ı struktura je
vypoˇc´ıtan´
a z krystalov´e struktury programem PROMOTIF a je povaˇzov´ana za nejpˇresnˇejˇs´ı.
Obr. 5: Rozd´ıly pˇri definici sekund´arn´ıch struktur jednotliv´
ymi metodami
15
IPN Podpora technických a přírodovědných oborů
Projekt je spolufinancován Evropským sociálním
fondem a státním rozpočtem České republiky.
ViBuCh – Vzdˇel´
avac´ı ikurz pro budouc´ı chemiky
zad´an´ı 2. s´erie (3. roˇcn´ık)
A dost teorie, zkus´ıme si nˇeco prakticky a pˇredstav´ıme si u
´koly z t´eto s´erie.
V pˇrev´
aˇzn´e vˇetˇsinˇe pˇr´ıpad˚
u, kdyˇz pracujeme se sekvenc´ı v poˇc´ıtaˇci (at’ uˇz DNA, RNA nebo proteinovou), dostane se n´
am do rukou nejˇcastˇeji sekvence ve specifick´em form´atu zvan´em FASTA. Tento
form´
at m´
a nˇekolik podtyp˚
u, ale klasick´
y FASTA form´at se pouˇz´ıv´a nejˇcastˇeji. Vypad´a takto – na prvn´ım
ˇr´
adku m´
ame znaˇcku >“ (vˇetˇs´ı neˇz). Po n´ı n´asleduje na stejn´em ˇr´adku n´azev nebo jak´ekoliv oznaˇcen´ı
”
sekvence. Na dalˇs´ım ˇr´
adku n´
asleduje uˇz samotn´a sekvence zapsan´a v jednop´ısmenn´
ych zkratk´ach.
>gi|109157476|pdb|2DN1|A Chain A, Human Hemoglobin In The Oxy Form
VLSPADKTNVKAAWGKVGAHAGEYGAEALERMFLSFPTTKTYFPHFDLSHGSAQVKGHGKKVADALTNAVAHVDDMPNALSALSDLH
AHKLRVDPVNFKLLSHCLLVTLAAHLPAEFTPAVHASLDKFLASVSTVLTSKYR
V pˇr´ıpadˇe DNA by tam nebyly zkratky aminokyselin ale nukleotid˚
u. Nˇekdy se tak´e setk´av´ame pouze
se z´
apisem protein˚
u ˇci aminokyselin v tzv. raw“ sekvenci. To je pak pouze sekvence aminokyselin ˇci nuk”
leotid˚
u bez oznaˇcen´ı. FASTA form´
at se vyuˇz´ıv´a ve mnoha odvˇetv´ıch chemie, biologie i fyziky. Pracujeme
s n´ım, kdyˇz porovn´
av´
ame sekvence, kdyˇz pl´anujeme experimenty (napˇr´ıklad tvorba primer˚
u pro PCR
reakce – mnoˇzen´ı sekvenc´ı nukleov´
ych kyselin), urˇcujeme vlastnosti DNA a protein˚
u, atp.
Sekvence protein˚
u lze z´ıskat z mnoˇzstv´ı r˚
uzn´
ych server˚
u. Jeden z nejvˇetˇs´ıch a nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ıch je
(datab´
aze NCBI). Lze tu naj´ıt nepˇrebern´e mnoˇzstv´ı informac´ı. Od vˇedeck´
ych ˇcl´ank˚
u pˇres softwarov´e
n´
astroje aˇz po sekvence gen˚
u.
´
Ukol
1: Na procviˇcen´ı pr´
ace s NBCI (coˇz se n´am bude pozdˇeji i hodit) najdˇete z´aznamy o lidsk´em
deoxyhemoglobinu (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/protein?term=deoxyhaemoglobin). Zjistˇete
a) Kolik m´
a hemoglobin jednotek a jak jsou velk´e?
b) Napiˇste FASTA sekvenci jedn´e z jeho ˇc´asti.
Samotn´e z´ısk´
an´ı sekvence proteinu m˚
uˇzeme prov´est nˇekolika zp˚
usoby. Tˇemi nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ımi jsou
Edmanovo odbour´
av´
an´ı, hmotnostn´ı spektrometrie nebo odhad z DNA/RNA sekvence. Pokud zn´ame
sekvenci proteinu, jeˇstˇe nen´ı ale u
´plnˇe zaruˇceno, ˇze zn´ame i jeho prostorov´e uspoˇr´ad´an´ı.
Pokud ale m´
ame 3D strukturu jiˇz vyˇreˇsenou experiment´alnˇe, m˚
uˇzeme s proteinem pracovat efektivnˇeji
a m˚
uˇzeme zjistit mnohem v´ıce informac´ı o jeho funkci. D˚
uleˇzit´a informace pˇri publikov´an´ı (zveˇrejnˇen´ı)
prostorov´e struktury je jej´ı rozliˇsen´ı. Ud´
av´a se v jednotk´ach ˚
angstr¨om (coˇz odpov´ıd´a 1−10 m neboli
ˇ
0,1 nm). C´ım vyˇsˇs´ı je rozliˇsen´ı (menˇs´ı hodnota), t´ım l´epe a pˇresnˇeji vid´ıme jednotliv´e ˇc´asti.
´
Ukol
2: Vezmˇete si deoxyhemoglobin, kter´
y jste hledali v pˇredch´azej´ıc´ım u
´kolu a najdˇete o nˇem z´aznam
v (datab´
azi PDB). Datab´
aze PDB shromaˇzd’uje vˇsechny dostupn´e vyˇreˇsen´e 3D struktury protein˚
u. Mal´
a
n´
apovˇeda – v datab´
azi NCBI jste u z´
aznamu deoxyhemoglobinu mohli zaregistrovat oznaˇcen´ı Accession“
”
nebo PDB“. Pouˇzijte tento k´
od bez oznaˇcen´ı jednotky, abyste naˇsli jeho 3D strukturu v datab´azi PDB.
”
Existuj´ı i pˇr´ım´e odkazy z NCBI datab´
aze, takˇze pokud jste ˇsikovn´ı, m˚
uˇzete si to urychlit. Jak budete m´ıt
3D strukturu, m˚
uˇzete si prohl´ednout, jak jsou jednotliv´e podjednotky spojen´e dohromady a jak vlastnˇe
deoxyhemoglobin vypad´
a.
a) V jak´em rozliˇsen´ı je dan´
a struktura publikovan´a v PDB datab´azi a jak´a metoda byla pouˇzita pˇri
jej´ım ˇreˇsen´ı?
b) Mysl´ıte si, ˇze je rozliˇsen´ı dostateˇcn´e? N´apovˇedu k druh´e ot´azce lze nal´ezt na Wikipedii.
´
Ukol
3: Pouˇzijte zase ten stejn´
y PDB k´od, jak´
y jste pouˇzili ted’ (vid´ıte jej i na prav´e horn´ı stranˇe
otevˇren´e PDB str´
anky – jedno ˇc´ıslo a tˇri p´ısmena) a bˇeˇzte na str´anky (serveru PDBsum). Tato datab´aze
poskytuje takov´
y v´
ytaˇzek informac´ı o struktur´ach pr´avˇe z PDB datab´aze. Tady zkuste opˇet naj´ıt deoxyhemoglobin. Jakmile jej najdete, bˇeˇzte do z´aloˇzky Protein“ a zjistˇete
”
16
IPN Podpora technických a přírodovědných oborů
Projekt je spolufinancován Evropským sociálním
fondem a státním rozpočtem České republiky.
ViBuCh – Vzdˇel´
avac´ı ikurz pro budouc´ı chemiky
zad´an´ı 2. s´erie (3. roˇcn´ık)
a) Jak´e m´
a tento protein sekund´
arn´ı struktury – tedy kolik ˇsroubovic, β-list˚
u, β-ohyb˚
u, atd. zkr´atka
vˇsechno, co se v´
am podaˇr´ı naj´ıt.
b) Jak´e je percentu´
aln´ı rozdˇelen´ı ˇsroubovic (napov´ım v´am, ˇze to tam lze naj´ıt i bez poˇc´ıt´an´ı). A posledn´ı
ˇc´
ast z toho u
´kolu
c) M´
a deoxyhemoglobin nˇejak´
y ligand?
d) Pokud ano, uvaˇzujte pouze ten prvn´ı a napiˇste, jestli v´ıte, jakou m´a funkci a chemick´
y vzorec?
A ted’ si koneˇcnˇe zkus´ıme odhadnout sekund´arn´ı strukturu a porovn´ame ji se sekund´arn´ı strukturou
zjiˇstˇenou experiment´
alnˇe. Pouˇzijeme znalosti z pˇredch´azej´ıc´ıch ot´azek a d´ame je dohromady.
´
Ukol
4:
Najdˇete si molekulu aktinu v NCBI datab´azi (hledejte z´aznam 1ATN A) a zjistˇete:
a) Kolik m´
a podˇc´
ast´ı (jsou to pouze ty prvn´ı, kter´e vid´ıte)? St´ahnˇete si jeho FASTA sekvenci jedn´e
jeho ˇc´
asti. Najdˇete si tu stejnou molekulu v datab´azi PDB (hledejte opˇet podle ˇctyˇrznakov´eho PDB
oznaˇcen´ı).
b) Jak´e je rozliˇsen´ı a pouˇzit´
a metoda k vyˇreˇsen´ı struktury? Otevˇrete si opˇet (datab´azi PDBsum) a
podle stejn´eho PDB oznaˇcen´ı najdˇete informace o aktinu.
c) M´
a aktin nˇejak´
y ligand a pˇr´ıpadnˇe jak´
y je jeho n´azev? Otevˇrete si z´aloˇzku Protein“ a pod´ıvejte
”
se na jeho sekund´
arn´ı strukturu a nechte si ji otevˇrenou.
A ted’ si zkuste predikovat sekund´
arn´ı strukturu aktinu. Bˇeˇzte na str´anky tˇechto server˚
u (JPRED),
(PSIPRED), (SABLE) a (PORTER) a vloˇzte sekvenci aktinu bud’ samotnou, nebo ve FASTA
form´
atu (server v´
am vˇetˇsinou ˇrekne, ˇze to chce tak ˇci tak a kdyˇz to zad´ate ˇspatnˇe, tak se bude
zlobit a upozorn´ı v´
as). U nˇekter´
ych program˚
u mus´ıte vloˇzit vaˇsi emailovou adresu, na kterou v´
am
pot´e zaˇslou v´
ysledek. Nastaven´ı nechte ve vˇsech pˇr´ıpadech tak, jak je v´am nab´ızeno. Aˇz dostanete
v´
ysledky, porovnejte odhadnutou strukturu se strukturou ze serveru PDBsum.
d) Kter´
y program odhadl sekund´
arn´ı strukturu nejpˇresnˇeji (klidnˇe napiˇste delˇs´ı odpovˇed’ a vysvˇetlete,
v ˇcem v´
am to pˇrijde nejpˇresnˇejˇs´ı)?
U JPRED si po naˇcten´ı v´
ysledk˚
u otevˇrete nab´ızenou moˇznost Start Jalview“. V´aleˇcky = ˇsroubovice
”
a ˇsipky = β-ˇretˇezce. U programu PSIPRED je H = ˇsroubovice (r˚
uˇzov´a) a E = β-vl´akno. U SABLE
serveru jsou ˇcerven´e vlnovky = ˇsroubovice a zelen´e ˇsipky = β-ˇretˇezec. U PORTER znamen´a H =
ˇsroubovice, E = β-ˇretˇezec a C = zbytek (smyˇcky, ohyby, atd.).
Dobrovoln´
a ot´
azka (bez bod˚
u) – s jak´
ym programem se v´am pracovalo nejl´epe nebo se v´am nejv´ıce
l´ıbil?
V posledn´ım s´erii si koneˇcnˇe pˇredstav´ıme, jak dok´aˇzeme predikovat 3D strukturu a co k tomu
potˇrebujeme.
17
IPN Podpora technických a přírodovědných oborů
Projekt je spolufinancován Evropským sociálním
fondem a státním rozpočtem České republiky.
ViBuCh – Vzdˇel´
avac´ı ikurz pro budouc´ı chemiky
zad´an´ı 2. s´erie (3. roˇcn´ık)
D1 – Vyuˇ
zit´ı difrakce rentgenov´
eho z´
aˇ
ren´ı ke studiu struktury
l´
atek
Autor:
Michal Babiak (e-mail: [email protected])
14 bod˚
u
Pros´ım o ˇreˇsen´ı obr´
azkov´ych“ u
´loh pˇr´ımo do vytiˇstˇen´eho zad´
an´ı. Nezoufejte, ale kdybyste se pˇrece
”
jenom pˇristihli pˇri zouf´
an´ı, nahl´ednˇete do studijn´ıch materi´
al˚
u. Kdyˇz budete zoufat i pak, dejte si tˇreba
ˇcokol´
adu ,.
´
Ukol
1: Jak´e budou vlastnosti z´
aˇren´ı (uvaˇzujte linii Kα ) produkovan´eho rentgenkou s molybdenovou
anodou?
A. Vypoˇc´ıtejte vlnovou d´elku z´
aˇren´ı.
B. Vypoˇc´ıtejte frekvenci z´
aˇren´ı.
C. Vypoˇc´ıtejte energii takto vznikl´eho fotonu.
D. Z jak´eho kovu je vyroben´
a anoda rentgenky, kter´a produkuje z´aˇren´ı (Kα ) s vlnovou d´elkou 179 pm?
´
Ukol
2: Do n´
asleduj´ıc´ıch obr´
azk˚
u vyznaˇcte ˇsipkami mˇr´ıˇzkov´e parametry (translaˇcn´ı vektory; obr´azek
zn´
azorˇ
nuje ˇca´st dvourozmˇern´e struktury):
Obr´
azek E
Obr´
azek F
Obr´
azek G
Obr´
azek H
18
IPN Podpora technických a přírodovědných oborů
Projekt je spolufinancován Evropským sociálním
fondem a státním rozpočtem České republiky.
ViBuCh – Vzdˇel´
avac´ı ikurz pro budouc´ı chemiky
zad´an´ı 2. s´erie (3. roˇcn´ık)
´
Ukol
3: Do n´
asleduj´ıc´ıho obr´
azku doplˇ
nte ˇc´ast struktury (alespoˇ
n 20 uzlov´
ych bod˚
u) tak, abyste
dodrˇzeli translace dvourozmˇern´e mˇr´ıˇzky dan´e vektory a a b a polohu motivu. Motivem je p´ısmenko
V.
Obr´
azek I
´
Ukol
4: Trojrozmˇernou strukturu zn´
azornˇenou na obr´azku J reprezentuje napˇr. chlorid sodn´
y (miner´
al
halit), kter´
y krystalizuje v kubick´e soustavˇe, kde plat´ı a = b = c a α = β = γ = 90◦ . Na obr´azku jsou
vˇsechny tˇri typy spojnic atom˚
u stejnˇe dlouh´e a vz´ajemnˇe kolm´e. V souladu s tˇemito informacemi do
obr´
azku J vyznaˇcte translaˇcn´ı vektory.
Obr´
azek J
19
IPN Podpora technických a přírodovědných oborů
Projekt je spolufinancován Evropským sociálním
fondem a státním rozpočtem České republiky.
ViBuCh – Vzdˇel´
avac´ı ikurz pro budouc´ı chemiky
zad´an´ı 2. s´erie (3. roˇcn´ık)
K. Spoˇc´ıtejte objem element´
arn´ı buˇ
nky NaCl, kdyˇz a = 0,56 nm. Vyj´adˇrete v´
ysledek v´
ypoˇctu ve tvaru
V = x · 10−30 m3 .
L. Kolik atom˚
u sod´ıku a kolik atom˚
u chloru se nach´az´ı v element´arn´ı buˇ
nce z pˇredchoz´ı ot´azky (bod
K.)?
´
Ukol
5: Zanedbejte na chv´ıli vˇsechny experiment´aln´ı probl´emy a absurdity, kter´e by mohly vyvstat na
z´
akladˇe n´
asleduj´ıc´ıch u
´vah, a pokuste se odpovˇedˇet:
M. Jak´
y typ elektromagnetick´eho z´
aˇren´ı (UV, viditeln´e svˇetlo, gama z´aˇren´ı,. . . ) byste pouˇzili ke studiu
difrakce na vˇcel´ım pl´
astu, obrovsk´e kouli z lega nebo cihlov´e zdi?
N. Napadne v´
as nˇejak´
y re´
aln´
y, dostateˇcnˇe velk´
y (ve smyslu projevu periodicity) objekt (vyskytuj´ıc´ı se
na Zemi), na kter´em by se dala studovat difrakce elektromagnetick´
ym z´aˇren´ım s frekvenc´ı, na jak´e
vys´ıla pr˚
umˇern´
a ˇcesk´
a rozhlasov´
a stanice?
20
IPN Podpora technických a přírodovědných oborů
Projekt je spolufinancován Evropským sociálním
fondem a státním rozpočtem České republiky.
ViBuCh – Vzdˇel´
avac´ı ikurz pro budouc´ı chemiky
zad´an´ı 2. s´erie (3. roˇcn´ık)
X – Terpeny, terpeny everywhere! (druh´
a doplˇ
nkov´
au
´ loha)
Autor:
Jozef Prieboj (e-mail: [email protected]))
10 bod˚
u
Nˇekteˇr´ı z v´
as, mil´ı vibuˇsn´ıci, si moˇzn´
a po pˇreˇcten´ı n´
azvu v duchu ˇrekli terp-co? Jin´ym je tento pojem
uˇz zn´
am´y. Nˇekteˇr´ı v nˇem moˇzn´
a uvid´ıte nar´
aˇzku na v´yrok pana P´
atroviˇca, jedn´e novodob´e televizn´ı hvˇezdy
z talentov´ych soutˇeˇz´ı4 . Pojd’me se vˇsak radˇsi pustit do ˇreˇsen´ı u
´lohy, neˇz ztr´
acet ˇcas (kter´y je i tak relativn´ı,
jak ˇrekl A. Einstein), abych v´
am mohl dok´
azat pravdivost n´
azvu, ˇze terpeny jsou opravdu vˇsude.
(Pozn´
amka: N´
asleduj´ıc´ı u
´lohy zvl´
adnete bez jak´ehokoliv g˚
uglen´ı, staˇc´ı zapojit pouze vaˇsi fantazii,
kreativitu a doposud nabyt´e znalosti. Nechte se v´est pokyny autora. Tak si to aspoˇ
n uˇzijete v´ıc ,).
Co jsou to ty terpeny?
Lid´e uˇz mnoho let destiluj´ı. Nˇekdy tak z´ıskali ohnivou vodu a jindy, kdyˇz destilovali jist´e rostlinn´e
materi´
aly, byla v´
ysledn´
ym produktem vonn´a kapaln´a l´atka – silice (esenci´aln´ı olej). Silice se pouˇz´ıvaly
v medic´ınˇe, jako koˇren´ı, anebo jako parf´emy. Sv˚
uj n´azev pˇrevzaly z pojmenovan´ı terpent´
yn, kter´
ym
se oznaˇcovala tekutina z´ıskan´
a destilac´ı pryskyˇrice hlavnˇe strom˚
u borovice. Toto pojmenovan´ı m´a sv˚
uj
p˚
uvod (pˇres francouzˇstinu a latinu) aˇz z ˇreck´eho pojmenovan´ı pro druh stromu (Pistacia terebinthus), ze
kter´eho se p˚
uvodnˇe pˇripravoval tento olej.
Pro n´
as vˇsak bude o mnoho zaj´ımavˇejˇs´ı chemie, kter´a stoj´ı za terpeny, neˇz tento kr´atk´
y pohled do
historie. Tedy je v´
aˇs prvn´ı u
´kol:
´
Ukol
1: Z´
akladn´ı vlastnost terpen˚
u je jejich struktura. I kdyˇz jde o rozmanit´e struktury, kter´
ych jsou
tis´ıce, tyto l´
atky obsahuj´ı ve sv´e struktuˇre jeden stavebn´ı prvek, at’ uˇz v z´akladn´ı podobˇe anebo substituovan´
y charakteristick´
ymi skupinami. Vaˇs´ım u
´kolem je nakreslit strukturn´ı vzorec tohoto z´akladn´ıho
stavebn´ıho prvku, pokud v´ıte, ˇze:
a) jeho sum´
arn´ı vzorec je C5 H8 ,
b) obsahuje konjugovan´
y syst´em,
c) jedn´
a se o rozvˇetven´
y ˇretˇezec.
LEGO aneb hran´ı s terpeny
V pˇredch´
azej´ıc´ım u
´kolu jste odhalili z´akladn´ı stavebn´ı k´amen terpen˚
u. Tato molekula5 d´ıky sv´e
struktuˇre umoˇzn
ˇuje tvoˇrit terpeny od poˇc´atku svˇeta. Na z´akladˇe uveden´eho sum´arn´ıho vzorce v u
´kolu
ˇc´ıslo 1 sami odhal´ıte pom˚
ucku/pravidlo pro zjiˇst’ov´an´ı poˇctu z´akladn´ıch jednotek.
´
Ukol
2: Urˇcete poˇcet z´
akladn´ıch jednotek v tˇechto terpenech a vyznaˇcte m´ısta, kde doch´az´ı ke spojen´ı
(vytvoˇren´ı vazby).
a) myrcen
b) (–)-α-pinen
CH3
CH3
H3C
CH2
CH2
c) humulen
H3C
H3C
CH3
H3C
H3C
H3C
4 http://sphotos-g.ak.fbcdn.net/hphotos-ak-ash4/421337
287621208019812 1599149199 n.jpg
5 isopren
21
IPN Podpora technických a přírodovědných oborů
Projekt je spolufinancován Evropským sociálním
fondem a státním rozpočtem České republiky.
ViBuCh – Vzdˇel´
avac´ı ikurz pro budouc´ı chemiky
zad´an´ı 2. s´erie (3. roˇcn´ık)
e) limonen
d) kafr
H3C
H3C
CH3
CH3
O
H3C
CH2
V˚
unˇ
e a chut’, o to tu jde
Pˇredstavili jsme si prvn´ı z´
astupce z ˇrad terpen˚
u. Kafr a α-pinen jsou charakteristick´
ymi aromaty
pˇr´ısluˇsn´
ych strom˚
u, limonen, jak nˇekteˇr´ı z v´as uˇz moˇzn´a vˇed´ı, je zodpovˇedn´
y za to, ˇze kaˇzd´
y rozezn´
a
citrusov´e plody, humulen je naopak zodpovˇedn´
y za chut’ vˇseobecnˇe obl´ıben´eho zlatav´eho moku (jako
tradiˇcnˇe, tomuto t´ematu se vˇenuje jist´
a pozornost i bˇehem praktick´eho soustˇredˇen´ı) a nakonec n´
am
zb´
yv´
a uˇz jen myrcen, kter´
y se nach´
az´ı v bobkov´em listu nebo mateˇr´ıdouˇsce.
Fantazii se meze nekladou
Uˇz v´ıte, jak vypadaj´ı z´
akladn´ı terpeny, a m´ate pˇrehled o jejich struktuˇre. Vyzkouˇseli jste si hled´
an´ı
isoprenov´
ych jednotek. Nyn´ı v´
as vˇsak ˇcek´
a opaˇcn´
yu
´kol.
´
Ukol
3: Nakreslete strukturu terpenu, kter´
y obsahuje minim´alnˇe 3 isoprenov´e jednotky a nach´az´ı se
v nˇem cyklus, a vyznaˇcte v nˇem jednotliv´e jednotky. Tento u
´kol nem´a pˇresn´e ˇreˇsen´ı, ale jde v nˇem o vaˇsi
kreativitu.
Klasifikace terpen˚
u
Po zahˇr´ıvac´ıch u
´kolech uˇz nem´
ate ˇz´
adn´
y probl´em naj´ıt, rozeznat a spoˇc´ıtat isoprenov´e jednotky. Jak
jistˇe tuˇs´ıte, terpeny se dˇel´ı pr´
avˇe podle poˇctu tˇechto jednotek. Kv˚
uli rozs´ahlosti dˇelen´ı uvedeme jen
nˇekter´e skupiny, kter´e budete potˇrebovat pˇri ˇreˇsen´ı dalˇs´ıch u
´kol˚
u, zbyl´e si m˚
uˇzete naj´ıt sami, pokud tedy
nebudete m´ıt uˇz tˇech terpen˚
u po krk ,
• hemiterpeny – patˇr´ı sem jen isopren a jeho kysl´ıkat´e deriv´aty
• monoterpeny – obsahuj´ı dvˇe isoprenov´e jednotky
• seskviterpeny – obsahuj´ı 3 isoprenov´e jednotky
• diterpeny – obsahuj´ı 4 isoprenov´e jednotky
• triterpeny – obsahuj´ı 6 isoprenov´
ych jednotek
• polyterpeny – obsahuj´ı mnoho jednotek isoprenu
´
Ukol
4: Zaˇrad’te v textu dosud zm´ınˇen´e terpeny (s v´
yjimkou isoprenu) do skupin podle poˇctu isoprenov´
ych jednotek.
22
IPN Podpora technických a přírodovědných oborů
Projekt je spolufinancován Evropským sociálním
fondem a státním rozpočtem České republiky.
ViBuCh – Vzdˇel´
avac´ı ikurz pro budouc´ı chemiky
zad´an´ı 2. s´erie (3. roˇcn´ık)
Proˇ
c je mrkev oranˇ
zov´
a a vaˇ
se m´
amy maj´ı pravdu
Kaˇzd´
y z v´
as uˇz v ˇzivotˇe minim´
alnˇe vidˇel mrkev a asi ji i jedl. Nˇekteˇr´ı k n´ı mohou m´ıt averzi ze
ˇskoln´ıch j´ıdelen, ale jak v´
am jistˇe vaˇse m´ama ˇr´ıkala, mrkev je zdrav´a hlavnˇe pro zrak. A my si ted’
ovˇeˇr´ıme pravdivost tohoto tvrzen´ı. Nejdˇr´ıve se budeme vˇenovat u
´ˇcinku mrkve na lidsk´
y organismus a pak
budeme ˇreˇsit jej´ı barvu a fotochemick´e vlastnosti.
Urˇcitˇe nˇekoho z v´
as v souvislosti s mrkv´ı napadne pojem β-karoten. Jistˇe jste o nˇem slyˇseli. Jedn´a se
o barvivo obsaˇzen´e v mrkvi a o ˇcem by byla u
´loha o terpenech, kdyby sem nepatˇril. Jde o tetraterpen,
takˇze sami uˇz v´ıte, ˇze obsahuje 8 isoprenov´
ych jednotek.
H3C
CH3
CH3
H3C
CH3
CH3
CH3
CH3 H3C
CH3
´
Ukol
5: Na z´
akladˇe pˇriloˇzen´eho obr´
azku struktury β-karotenu diskutujte jeho rozpustnost, zda je lepˇs´ı
ve vodˇe, nebo v tuc´ıch (staˇc´ı si udˇelat jednoduch´
y experiment, pˇri kter´em si doma udˇel´ate mrkvov´
ya
ˇrepn´
y sal´
at; po kter´em v´
am z˚
ustane vˇetˇs´ı nepoˇr´adek?)
Co se s β-karotenem v tˇele vlastnˇe dˇeje? Prvn´ım krokem je rozˇstˇepen´ı β-karotenu na dvˇe jednotky
retinalu (proces se dˇeje v tenk´em stˇrevˇe za pomoci enzymu β, β-karoten 15,15’-monoxygenasy). Druh´
ym
krokem je pak jeho redukce na retinol, kter´
y zn´ate pod n´azvem vitamin A. Jak si m˚
uˇzete vˇsimnout, tyto
trivi´
aln´ı n´
azvy v sobˇe respektuj´ı charakteristick´e skupiny dan´
ych molekul.
´
Ukol
6: Redukce retinalu (RAL) na retinol (ROL) se dˇeje v tˇele za pomoci z´akladn´ıho redukˇcn´ıho,
biochemiky milovan´eho, koenzymu. Napiˇste jeho zkratku a n´azev.
Kdyˇz uˇz v´ıme, jak v tˇele vznik´
a vitamin A, bylo dobr´e si ˇr´ıci, k ˇcemu je uˇziteˇcn´
y. Vitamin A m´
a
nˇekolik funkc´ı v organismu. Jeho nejzn´
amˇejˇs´ı funkc´ı (kter´e se za chv´ıli budeme vˇenovat) je zrak. D´
ale
se pod´ıl´ı na transkripci gen˚
u, embryon´
aln´ım v´
yvoji, napom´ah´a k˚
uˇzi a buˇ
nk´am, tak´e je to v´
yznamn´
y
antioxidant a m´
a imunitn´ı funkci. Avˇsak jeho nadmˇern´a konzumace je ˇskodliv´a, coˇz ale o β-karotenu
(jeho provitaminu) se ˇr´ıci ned´
a. Tento paradox lze vysvˇetlit metabolick´
ymi pochody v naˇsem organismu,
kter´e v pˇr´ıpadˇe vysok´e hladiny vitaminu A zastav´ı jeho enzymatickou v´
yrobu z β-karotenu. Nadbyteˇcn´
y
β-karoten se ukl´
ad´
a v organismu a spotˇrebuje se pˇri nejbliˇzˇs´ı potˇrebˇe vitaminu A.
´
Ukol
7: Na z´
akladˇe jak´e vlastnosti byste dok´azali na prvn´ı pohled rozliˇsit osobu, kter´a m´a v tˇele
nadbytek β-karotenu?
Pro zrak je hlavnˇe tˇreba jeho aldehyd, tedy RAL. Ten se pomoc´ı tzv. zrakov´eho cyklu postupnˇe
promˇen
ˇuje, dostane se do kroku kdy je schopen absorbovat fotony, kter´e zmˇen´ı jeho strukturu z cis na
trans izomer, coˇz je podstatn´e pro vn´ım´
an´ı svˇetla, a transferem svˇetla na chemickou informaci schopnou
pˇreposlat mozku.
Zde konˇc´ı naˇse cestov´
an´ı, co se t´
yˇce zraku. Pokud byste se chtˇeli dozvˇedˇet v´ıce, prohl´ednˇete si zad´
an´ı
2. s´erie prvn´ıho roˇcn´ıku, t´ema B a pˇr´ısluˇsn´e studijn´ı materi´aly (Fotochemie β-karotenu).
Podzim jako nejkr´
asnˇ
ejˇ
s´ı obdob´ı roku (subjektivn´ı n´
azor)
Jist´
a skupinka lid´ı si stoj´ı za t´ımto tvrzen´ım, op´ıraj´ıce se o argument barevn´
ych list˚
u. Na jaˇre a
v l´etˇe je vˇetˇsina list´ı zelen´
a, ale na podzim se paleta barev rozˇs´ıˇr´ı. Pro naˇse dalˇs´ı u
´vahy si aproximujeme
skuteˇcnost, ˇze barva list˚
u souvis´ı jen s chlorofylem a karoteny (konkr´etnˇe β-karotenem). Ve skuteˇcnosti
je barviv (pigment˚
u) v´ıce.
23
IPN Podpora technických a přírodovědných oborů
Projekt je spolufinancován Evropským sociálním
fondem a státním rozpočtem České republiky.
ViBuCh – Vzdˇel´
avac´ı ikurz pro budouc´ı chemiky
´
Ukol
8:
zad´an´ı 2. s´erie (3. roˇcn´ık)
Od˚
uvodnˇete zmˇenu barvy list˚
u na podzim.
Tˇ
reˇ
sniˇ
cka na z´
avˇ
er
S β-karotenem se n´
am terpeny uˇz trochu zvˇetˇsily a zkomplikovaly. Tady to vˇsak nekonˇc´ı. Existuj´ı vˇetˇs´ı
zvˇerstva. Ve vyˇsˇs´ıch eukaryotick´
ych buˇ
nk´
ach se nach´az´ı jeden podstatn´
y cyklus (HMG-CoA Reductase
Pathway). V nˇem se odehr´
av´
a pˇremˇena acetylkoenzymu A na farnesyl-difosf´at (mezi produkty jsou dva
podstatn´e terpeny – dimethyallyl-difosf´
at a isopentenyl-difosf´at), kter´
y se m˚
uˇze metabolizovat na mnoh´e
l´
atky, pro n´
as bude hlavnˇe podstatn´
y skvalen.
CH3
CH3
H3C
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
Skvalen se d´
ale pˇremˇen
ˇuje na metabolicky podstatnou l´atku lanosterol. Jde o v´ıcen´asobn´e zacyklen´ı za
tvorby 4 kondenzovan´
ych cykl˚
u (p˚
uvodnˇe jsem v´am to chtˇel d´at jako u
´kol, ale je to velmi dobˇre pops´ano
na internetu, a tak jsem se chtˇel vyhnout tomu, abyste to bez zamyˇslen´ı zkop´ırovali).
H
H3C
H3C
CH3
H
CH3
H3C
H
HO
H3C CHH
3
Tato struktura je z´
aklad pro biologickou synt´ezu steroid˚
u (hormon˚
u). Pojem steroid jste jistˇe jiˇz
slyˇseli, zejm´ena v souvislosti se sportovci (bodybuildery), aby z´ıskali vˇetˇs´ı objem sval˚
u. T´ımto pojmem se
vˇsak ve veˇrejnosti mysl´ı jen jedna podskupina steroid˚
u a to konkr´etnˇe anabolick´e steroidy. Existuj´ı i jin´e
skupiny, jako napˇr. pohlavn´ı steroidy a kortikosteroidy. Kortikosteroidy reguluj´ı metabolickou, imunitn´ı
funkci a hladinu elektrolyt˚
u v krvi. N´
as budou zaj´ımat jen glukokortikoidy a cholesterol.
´
Ukol
9: Uved’te pˇr´ıklad obecnˇe zn´
am´eho glukokortikoidu (inzul´ın a glukagon nepatˇr´ı mezi steroidn´ı
hormony). D´
ale uved’te jak´e funkce m´
a v tˇele cholesterol (minim´alnˇe 3). Jako posledn´ı, m´ate za u
´kol
vysvˇetlit, proˇc pˇri vylouˇcen´ı tuk˚
u a zv´
yˇsen´ım denn´ıho pˇr´ıjmu sacharid˚
u potravˇe, ˇclovˇek pˇribere a nezbav´ı
se tukov´
ych z´
asob? (Uvaˇzujte, ˇze osoba pˇrij´ım´a v´ıce energie, neˇz dok´aˇze spotˇrebovat).
Tak a tady konˇc´ı naˇse cesta. Slibuji, uˇz ˇz´adn´e dalˇs´ı terpeny. Douf´am, ˇze d´ıky tˇemto u
´kol˚
um nedostane
fobii z terpen˚
u, ale naopak jste bohatˇs´ı o dalˇs´ı zkuˇsenost a o krok bl´ıˇze k pozn´an´ı, jak vlastnˇe ten n´
aˇs
svˇet funguje. Pˇreji mnoho u
´spˇech˚
u nejen v ˇreˇsen´ı u
´loh. May the force be with you!
24
IPN Podpora technických a přírodovědných oborů
Projekt je spolufinancován Evropským sociálním
fondem a státním rozpočtem České republiky.
Download

Zadání - ViBuCh