Research4U. Lessenserie voor het vwo. Uitgeklede enzymen

Transcriptie

1 Exact wat je zoekt! 1 Lessenserie voor het vwo #6 Uitgeklede enzymen In deze module De module sluit aan bij de subdomeinen Selectiviteit en specificiteit en Onderzoeken. Leer samen met je leerlingen over de voor- en nadelen en eigenschappen van en zoals enzymen. De leerlingen gaan zelf aan de slag met het interpreteren van gegevens uit grafieken om zo een keuze te maken voor de beste. Ze krijgen te maken met vragen als welke eigenschappen van een acht je belangrijker dan andere? en welke is het meest geschikt voor een bepaalde toepassing en omstandigheden? De leerlingen ervaren dat de beredenering van een keuze belangrijk en vaak doorslaggevend is. Inhoud Voor de leerling 2 Opdracht 3 Voor de docent 4 Werkblad 6

2 2 Voor de leerling Een enzym nabootsen Veel chemische reacties vinden spontaan plaats. Sommige binnen een paar microseconden, andere doen er wel 100 jaar over. ls je zo n langzame reactie nodig hebt om iets te maken, zoals een medicijn of een plastic hoesje voor je telefoon, heb je natuurlijk geen tijd om daarop te wachten. Gelukkig bestaan er deeltjes die een reactie kunnen versnellen zonder dat ze zelf bij de reactie verbruikt worden: en. ls de reactie voorbij is, staat de weer klaar om de volgende reactie te versnellen. Sommige en kunnen meer dan één chemische reactie versnellen. ls je een product gaat maken, zoals een plastic of een medicijn, wil je dat meestal niet. Verschillende reacties leveren namelijk vaak meerdere eindproducten op. ij een plastic tasje is dat niet altijd een probleem, maar bij medicijnproductie wel. Daar kan elk ongewenst molecuul giftig zijn voor de patiënt. Daarom is het belangrijk om selectieve en te gebruiken, die heel precies één chemische omzetting mogelijk maken waarbij één product ontstaat. De natuur is daar kampioen in. Natuurlijke en, ook wel enzymen, zijn opgebouwd uit speciale eiwitten. Ze zijn heel selectief, maar ook een beetje kwetsbaar. ij hoge temperaturen, lage zuurgraad of zonder water in de buurt gaan ze al snel kapot. Emma Folkertsma probeert tijdens haar promotieonderzoek aan de Universiteit Utrecht daarom enzymen na te maken in het chemisch laboratorium. Of eigenlijk: één enzym in uitgeklede vorm. En dat is best ingewikkeld. Enzymen zijn hele grote moleculen, vertelt Emma. Maar ze gebruiken niet hun hele lichaam om reacties te versnellen. Die reacties vinden plaats in een speciaal gedeelte in het enzym, het actieve centrum. Dat actieve centrum probeer ik na te maken in het lab. We hopen dat een los actief centrum minder gevoelig is in niet-lichamelijke omstandigheden. Het zou mooi zijn als het enzym ook in staat is om reacties te versnellen in een niet-waterige omgeving: een organisch oplosmiddel zoals alcohol. lcohol is namelijk een veelgebruikt oplosmiddel in de medicijnindustrie. Het type enzymen waar Emma aan werkt, zal onder andere gebruikt worden in de medicijnindustrie. Het katalyseert de reactie waarbij een aromatische ring en waterstofperoxide Emma Folkertsma Leeftijd: 25 jaar Universiteit: Universiteit Utrecht Eigenlijk werk ik mijn hele onderwijscarrière al op de top van mijn kunnen, vertelt Emma. Ik heb getwijfeld of ik wel promotieonderzoek zou gaan doen, want ik ben best wel dyslectisch. Ik heb keihard gewerkt om het VWO te halen, en met succes! ij mijn studiekeuze wist ik dat ik het echt moest hebben van technisch beredeneren, en daarom werd het scheikunde. Gelukkig maar: ik vind het zo leuk om bij alles wat ik om me heen zie, van lantaarnpaal tot frisdrank tot medicijn, te weten uit welke moleculen het is opgebouwd! En ik vind het ook heel erg leuk om dingen te maken in het lab. Moleculen maken die ik zelf ontworpen heb, die nog nooit iemand anders ook maar heeft gezien! Dat is zo stoer. In mijn vrije tijd zit ik in de werkgroep Exact van de politieke partij GroenLinks. De leden van GroenLinks die in de Tweede Kamer zitten, vragen ons mee te denken over allerlei besluiten. Dan rekenen we bijvoorbeeld uit hoeveel sneller je je bestemming bereikt als je 130 km/u rijdt in plaats van 120 km/u. Dat is trouwens maar een paar minuten, tussen Groningen en Limburg, maar het kost wel flink wat meer benzine. Is dat t waard? Ook doen we berekeningen aan de O 2 -uitstoot. Het is jammer dat er niet meer bèta s in de politiek zitten dan werden politieke beslissingen misschien meer op feiten gebaseerd en speelden emoties hopelijk een minder grote rol.

3 3 Opdracht nd the winner is (H 2 O 2 ) met elkaar reageren tot een cis-dialcohol. De toevoeging cis betekent dat beide alcoholgroepen aan dezelfde kant van de platte aromatische ring bevestigd zijn. Trans geeft juist aan dat de alcoholgroepen elk aan een andere kant van de platte aromatische ring bevestigd zijn (zie Figuur 1). Ik heb drie en gemaakt en deze op verschillende manieren getest. Kun jij me helpen de beste te kiezen? In deze opdracht ga je Emma helpen een keuze te maken uit drie zelfgemaakte en. Zij heeft deze gemaakt en getest. De resultaten zijn verwerkt in grafieken die je op het werkblad kunt vinden. ij het testen van een wordt er op twee dingen gelet: activiteit en selectiviteit. Figuur 1: 3D-structuur van twee dialcoholen met in groen de alcoholgroepen. Door de starre binding van de ring zijn de moleculen twee verschillende producten. Links is de trans-dialcohol, rechts de cis-dialcohol. Heb je een molecuulbouwdoos op school? Probeer deze moleculen dan na te maken en zie dat het verschillende moleculen zijn. Deze afbeelding is een schematische weergave om cis en trans te verduidelijken. In werkelijkheid zijn de hoeken vrijwel nooit precies 90. De H-atomen zijn in verband met de overzichtelijkheid weggelaten. Om de reactie precies uit te leggen, gebruik ik meestal naftaleen als voorbeeld, vertelt Emma. Naftaleen is een plat molecuul dat uit twee ringen bestaat. In de ringen zijn enkele en dubbele --bindingen om en om gerangschikt. Emma s enzym katalyseert een additiereactie, waarbij een dubbele binding tussen twee koolstofatomen wordt verbroken. an elk -atoom wordt een OH-groep gebonden (zie Figuur 2). 1. ctiviteit Met activiteit bedoelen onderzoekers de snelheid waarmee de gekatalyseerde reactie plaatsvindt, en kijken ze naar de levensduur van de. Het gaat dus om hoe snel de werkt en hoe lang hij meegaat. Het liefst wil je natuurlijk dat de zowel snel als lang kan werken. Onderzoekers kijken voor de snelheid naar het aantal gekatalyseerde reacties per seconde. Dit wordt met een Engelse term ook wel de turnover frequency (TOF) genoemd. Hoe hoger dit getal, hoe beter de de reactie versnelt. Emma heeft voor de drie ontwikkelde en (, en ) de TOF gemeten met zowel water als alcohol als oplosmiddel, en bij verschillende temperaturen. De resultaten heeft ze verwerkt in grafieken. Opdracht 1 a. ekijk grafiek I en II: dit zijn de resultaten van de en in waterige oplossing. Licht toe welke jij het beste vindt. Let goed op de assen en bedenk wat er met de lijn wordt uitgedrukt. Figuur 2: dditiereactie waarbij een cis-dialcohol ontstaat. De dialcohol is op deze manier weergegeven omdat beide OH-groepen aan dezelfde kant uit het papier wijzen. De additiereactie kan worden toegepast op soortgelijke moleculen om medicijnen te maken. Daarbij is het erg belangrijk dat de twee alcoholgroepen allebei aan dezelfde kant van de ring terechtkomen, vertelt Emma. Want als het ene alcohol boven de ring uitsteekt en de ander naar beneden (de trans-vorm), krijg je een molecuul dat giftig kan zijn. Dan doet het in het lichaam iets anders dan waar het voor bedoeld is. Het natuurlijke enzym regelt dat vanzelf op de goede manier, maar mijn kunstmatige kan dat nog niet helemaal goed. Opdracht 1 b. ekijk nu grafiek III en IV: dit zijn de resultaten van dezelfde drie en opgelost in alcohol. Geef aan welke je nu het beste vindt. Welke zou je kiezen als je naar alle vier de grafieken kijkt? Licht je antwoord toe. Let op! Er is geen goed of fout antwoord, zolang je jouw keuze maar goed toelicht. Maak bij je beredenering ook gebruik van informatie uit de tekst.

4 4 Opdracht Voor de docent Een enzymatische uitdaging! 2. Selectiviteit De moet niet alleen snel werken en lang meegaan, maar hij moet ook heel specifiek werken. Hij mag maar één reactie katalyseren, namelijk die reactie waarbij een cis-dialcohol ontstaat. Naast de TOF heeft Emma gekeken naar de totale omzetting per en hoeveel van het gemaakte product er in de cis- of trans-vorm is. Met de totale omzetting bedoelen we het percentage van de beginstof dat tijdens de reactie is omgezet in een product. Er wordt dus nog geen informatie gegeven over welk product er is gevormd. Een totale omzetting van 80% betekent dus dat 20% van de beginstof niet heeft gereageerd. Door de selectiviteit van het enzym te bepalen, krijg je wel informatie over de omzetting in de cis-vorm. Emma heeft die gegevens in de grafieken productverhouding weergegeven. Een percentage in deze grafieken geeft aan hoeveel procent van de beginstof in het betreffende product is omgezet. Opdracht 2. ekijk nu grafiek V, VI, VII en VIII. Vind je jouw gekozen uit opdracht 1 nog steeds de beste of zou je nu voor een ander gaan? Licht je antwoord toe. onusvraag Kun je nog iets bijzonders ontdekken aan op basis van grafieken VI en VIII? Kun je dat verklaren? We doen ons best, wij mensen. Maar sommige dingen kan de natuur nog steeds vele malen beter. Natuurlijke en kunnen bijvoorbeeld heel precies reacties laten verlopen. Zelfs voor stereoselectief een linksdraaiend of rechtsdraaiend molecuul maken, draaien deze enzymen hun spreekwoordelijke hand niet om. Enzymen winnen terrein als versneller van industriële processen. Helaas zijn er ook nadelen verbonden aan enzymen. ij hoge temperaturen, lage zuurgraad of in organische oplosmiddelen raken ze al vlug onherstelbaar beschadigd. Ook zijn enzymen vrij duur en daarom geeft een groot deel van de chemische industrie nog altijd de voorkeur aan kleine synthetische en. Promovenda Emma Folkertsma wil het beste van twee werelden: ze kleedt een enzym uit tot zijn reactieve centrum en maakt alleen dat centrum na. In haar onderzoek richt ze zich op het actieve centrum van een specifieke klasse van ijzer-enzymen (zie Figuur 3 voor actief centrum). Deze enzymen katalyseren een additiereactie waarbij aromatische ringen, zoals in benzeen of naftaleen, worden opengebroken. Deze omzetting is nuttig voor de medicijnindustrie. Dit type aromatische ringen komt ook in de natuur terecht, als onderdeel van onder andere kleurstoffen, plastics of insecticiden. Emma s kan dus ook ingezet worden voor het verwijderen van dit soort vervuiling uit de bodem. Even een kijkje onder de motorkap. De additiereactie vindt plaats in het actieve centrum van deze enzymen, die bestaat uit drie aminozuren en een ijzerion. Twee histidines en een aspartaat houden het ion zo in het enzym gebonden dat het nog drie vrije bindingen heeft die nodig zijn voor de reactie. romatische ringen, bijvoorbeeld een molecuul naftaleen, kunnen door het enzym worden vastgehouden. Een tweede reactant meestal zuurstof uit de lucht of toegevoegd waterstofperoxide wordt met de vrije ijzerion-bindingen gesplitst tot twee losse zuurstofatomen. Deze zuurstofatomen worden door het enzym aan de ring gekoppeld, waarbij de dubbele binding verdwijnt en twee alcoholgroepen ontstaan (zie Figuur 2 uit de Leerlingtekst). De reactie moet stereoselectief zijn, want om dit type enzym te kunnen gebruiken in de medicijnindustrie, mogen er geen bijproducten ontstaan, vertelt Emma. Ik wil alleen de cisvariant maken, waarbij beide alcoholen aan dezelfde kant van de naftaleenring zitten. Maar de trans-dialcohol, waarbij de alcoholgroepen allebei aan een andere kant van de platte ring zitten, is energetisch een stuk voordeliger om te maken vanwege de verminderde sterische hindering. Dit onderscheid tussen stereo-isomeren is met een simpele moeilijk te maken, maar het natuurlijke enzym heeft er absoluut geen problemen mee.

5 5 Voor de docent Wetenschappelijk onderzoek is nooit gemakkelijk. Om toch alleen de cis-variant te maken, doet Emma verwoede pogingen om het actieve centrum na te bootsen. Het aan elkaar koppelen van de drie restgroepen van de aminozuren zodat de juiste ruimte voor het ijzerion ontstaat, is inmiddels gelukt. Het blijkt echter lastig om te verhinderen dat de in paren samenklontert. Elk gebonden ijzerion heeft immers nog drie vrije bindingsplekken. In Figuur 3 zijn die plekken ingenomen door watermoleculen. Maar dat is precies genoeg om nog een set van drie aminozuurgroepen te binden. Dat mag natuurlijk niet gebeuren, want dan zijn alle bindingsplekken op ijzer bezet en kan er geen reactie meer plaatsvinden. Om dit te voorkomen, plak ik vrij grote aromatische groepen aan de zijkanten van de drie aminozuur-restgroepen, vertelt Emma. Ik hoop dat de sterische hindering voorkomt dat er twee sets van deze aminozuurgroepen aan het ijzerion kunnen binden. Hierdoor blijven er dus drie vrije ijzerbindingen bestaan. Praktische tips Voer deze module uit met leerlingen uit 4 vwo of excellente leerlingen uit 3 vwo. ls de leerlingen het verschil tussen cis en trans, en het feit dat ze niet zomaar in elkaar kunnen worden omgezet zonder bindingen te verbreken niet direct snappen, is het een goed idee om ze dit zelf te laten ervaren/ onderzoeken. Dit kan met behulp van een molecuulbouwdoos. De bonusvraag vergt meer inzicht; je kunt ervoor kiezen de leerlingen deze niet te laten beantwoorden, of juist een competitief element toe te voegen door degenen met het goede antwoord te belonen. ij de opdracht is het voornamelijk van belang dat de leerlingen met goede argumenten kunnen beredeneren waarom zij vinden dat een bepaalde het meest geschikt is. In de antwoorden zijn daarom ook verschillende mogelijkheden gegeven. Dit zijn overigens niet alle mogelijke antwoorden. ntwoorden Figuur 3: Schematische weergave van het actieve centrum van een ijzer-enzym. Gemaakt met: Delano, W. L. The Pymol Molecular Graphics System, Delano Scientific: San arlos,, US, Opdracht 1a. Verschillende redenaties:, want de heeft de hoogste TOF en zet het meeste om bij kamertemperatuur. Fabrieken voeren reacties het liefst uit op kamertemperatuur, omdat ze dan geen kosten hebben voor het verwarmen van het reactiemengsel. ansluiting bij de syllabus Deze module sluit aan bij verschillende termen uit de syllabus. Zo komen leerlingen meer te weten over: onderzoeken (5), o.a. op grond van verzamelde gegevens van een uitgevoerd onderzoek conclusies trekken die aansluiten bij een onderzoeksvraag; selectiviteit en specificiteit (E2), o.a. de selectiviteit van een enzym. De module laat deze termen aansluiten bij een onderzoek over het synthetiseren van het katalytisch centrum van een bepaald enzym. Leerlingen krijgen informatie over en en enzymen en komen voor keuzes te staan waarbij argumentatie belangrijk is., want de TOF zakt niet gedurende de meettijd en de omzetting blijft erg stabiel bij verschillende temperaturen. Opdracht 1b. In deze twee grafieken is duidelijk de beste, omdat deze bij alle temperaturen een vrij hoge omzetting heeft. Mogelijke redenaties voor alle vier de grafieken:, want als je in waterige oplossing bij kamertemperatuur werkt en in alcohol met hoge temperatuur, dan heeft een hoge omzetting in beide situaties., want hoewel de in alcohol iets minder goed werkt, blijft de TOF en de omzetting steeds stabiel voor., want deze werkt vooral heel goed wanneer die is opgelost in alcohol. angezien de reactie wordt toegepast in de medicijnindustrie, is het oplosmiddel het belangrijkst. Opdracht 2. Mogelijke redenaties:, want bij deze is het percentage cis-dialcohol zowel in water als in alcohol hoog. De omzetting is dan wel lager in alcohol, maar in grafiek IV zie je dat deze hoger wordt naarmate je de temperatuur verhoogt., want bij deze is het percentage cis-dialcohol in alcohol het hoogst. angezien de reactie toegepast wordt in de medicijnindustrie, is het belangrijk om zoveel mogelijk gewenst product te hebben en zo zuiver mogelijk, en het oplosmiddel alcohol wordt het meest gebruikt., want deze heeft in alcohol op verschillende temperaturen een erg hoge omzetting die ook nog eens alleen cisdialcohol produceert. In waterige oplossing is de omzetting een stuk lager, maar deze omzetting verbetert bij een heel hoge temperatuur. De hoeveelheid trans-dialcohol is in water ook lager dan bij en. onusvraag ls je kijkt naar grafiek VI en VIII dan zie je dat voor en de percentages cis en trans bij elkaar opgeteld 100% zijn. ij is dat niet het geval. Een mogelijke verklaring is dat er nog een derde product gevormd wordt. Groot applaus voor de leerlingen die dit zien!

6 6 Werkblad 1. ctiviteit I water - 23 II omzetting bij verschillende temperaturen in water TOF (s -1 ) III alcohol - 23 IV omzetting bij verschillende temperaturen in alcohol 23 TOF (s -1 ) Selectiviteit V water - 23 VI productverhouding (water - 23 ) opbrengst % cis-dialcohol trans-dialcohol VII alcohol - 23 VIII productverhouding (alcohol - 23 ) opbrengst % cis-dialcohol trans-dialcohol

7 7 olofon De module is ontwikkeld door Stichting 3 in samenwerking met Emma Folkertsma, Universiteit Utrecht. uteurs o lanckenburg, Martine Segers Interview o lanckenburg Tekstredactie LOS!, Marijne Thomas Vormgeving t4design, Liesbeth Thomas Docentenpanel Judith van Poppel Harry Schreurs lgehele en inhoudelijke projectcoördinatie en contact Stichting 3 Remco Simonsz, Ilonka Mekes en Maryse Karsten e: rsimonsz@c3.nl t: l het docenten- en leerlingenmateriaal zoals beschreven in deze module is te downloaden via docent. De rechten van dit lesmateriaal (uiteraard niet van de gebruikte bronnen) berusten bij Stichting 3 te Den Haag. Het materiaal mag voor niet commerciële doeleinden vrij worden gebruikt. Voor commercieel gebruik dient contact opgenomen te worden met Stichting 3. Uiteraard is de module met veel zorg tot stand gekomen. Stichting 3 aanvaardt echter geen aansprakelijkheid voor schade die eventueel is ontstaan bij het uitvoeren van deze module. Stichting 3, Remco Simonsz, 2012 Opleidingen 1. dvanced technology 2. iotechnologie 3. Farmaceutische wetenschappen 4. Levensmiddelentechnologie 5. Life science & technology 6. Milieuwetenschappen 7. Molecular science & technology 8. Moleculaire levenswetenschappen 9. Scheikunde 10. Scheikundige technologie 11. Science (natuurwetenschappen) Universiteiten Radboud Universiteit Nijmegen Opleidingen: 8, 9, 11 Rijksuniversiteit Groningen Opleidingen: 5, 9, 10 Technische Universiteit Delft Opleidingen: 5, 7 Technische Universiteit Eindhoven Opleidingen: 10 Universiteit van msterdam Opleidingen: 9 Universiteit Leiden Opleidingen: 5, 7 Universiteit Twente Opleidingen: 1, 10 Universiteit Utrecht Opleidingen: 9 Universiteit Wageningen Opleidingen: 2, 4, 6, 8 Vrije Universiteit msterdam Opleidingen: 3, 9 Subdomeinen 5: Onderzoeken E2: Selectiviteit en specifiteit