Aminosyrer og carbohydrater med ChemSketch

Søren Hauge Andersen og Knud Ole Reffstrup

Om brugen af ChemSketch

ChemSketch fra ACD er et kemisk orienteret tegneprogram, som kan hentes via Internettet fra webadressen http://www.acdlabs.com. Programmet er gratis, men du skal registreres som bruger ved at oplyse e-mailadresse, navn og postadresse til ACD. Se indlægget Elementær organisk kemi med ChemSketch (bilag 1) for tekniske detaljer vedrørende programmet. Den indbyggede hjælp i ChemSketch er fremragende. Desuden kan du hente meget instruktive animerede ChemSketch tutorials fra ACD’s websted.

Hvis du vil vise alle C-atomer og H-atomer i strukturformler, skal du først indstille programmet til det, da dette ikke er standard:

Sådan gemmer du din molekylmodel

For at gemme en molekyleformel, som er lavet i ChemSketch, skal du vælge File | Save. Molekylet bliver gemt som en fil i ChemSketch’s eget filformat (.sk2) og kan senere åbnes i ChemSketch.

Hvis du vil anvende modellen i andre programmer, skal du gemme i et filformat (fx MDL MOL-file), som kan genkendes i andre programmer. Her skal du anvende export-funktionen:

• Vælg File | export | File format: MDL MOL-file (*.mol)

3D-visning

3D-viewer kan startes fra ChemSketch. Det gøres på følgende måde:

• Vælg ACD/Labs | 1 3D Viewer

Du kan skifte mellem at vise en strukturformel i tegnefeltet i ChemSketch og en rumlig model af molekylet i 3D-viewer. Når begge programmer er indlæst, optræder to knapper nederst til venstre i ChemSketch’s vindue (se Indsættelse af rumlig strukturformel). De kan bruges til skift mellem programmerne.

Tip: Hvis du først starter 3D-viewer (SHOW3D.EXE), bliver ChemSketch automatisk startet. Det omvendte er ikke tilfældet.

Sådan indsættes molekylmodellen i tekstbehandlingsprogram

Indsættelse af rumlig molekylmodel (3D)

• Tegn først en strukturformel (fx propansyre).
• Sørg for, at 3D-viewer er aktiv (Menuen ACD/Labs | 3D-viewer)

Vend evt. tilbage til ChemSketch I nederste venstre hjørne har du følgende knapper. Ved at trykke på Copy to 3D overføres det aktuelle molekyle til 3D-vieweren.
For at få de rigtige rumlige forhold og for at hydrogenatomerne kan vises i 3D-modellen, skal denne 3D optimeres. Dette gøres ved at aktivere knappen 3d-Optimize. Ikonet er et lille tetraeder.
For at skifte til hvid baggrundsfarve i 3D aktiveres Set colors. (Knappen med et A). Her vælges baggrundsfarven hvid.
	Vælg Edit | Copy Molekylmodellen fra 3D viewer er nu anbragt i udklipsholderen og kan indsættes i tekstdokumentet. Du ser resultatet her til venstre.

Du kan lave en 3D-optimering i ChemSketch’s strukturmodul. Programmet beregner og viser en 3D-stregmodel. Du skal dog stadig gennem en 3D-optimering i 3D-viewer. Vieweren kan tilsyneladende ikke overtage resultaterne fra strukturmodulet.

Undervisningsforløb om aminosyrer

I det følgende gives et oplæg til at anvende ChemSketch til et undervisningsforløb om aminosyrer.

Stereoisomeri

Aminosyrestrukturer er tilgængelige i ChemSketch som færdige formler:

• Vælg strukturmodul i ChemSketch. Sæt programmet til at vise alle C- og H-atomer (se Om brugen af ChemSketch).
• Vælg Templates | Template Window (eller tast F5)

Sørg for, at siden 1(2) Molecules vises. Der er to sider i skabelonen, og den anden side indeholder såkaldte C-radikaler, hvor aminosyren har en fri binding på OH-gruppens plads i carboxylsyregruppen.

Vælg fx aminosyren tyrosin. Klik et vilkårligt sted i molekylformlen. Det er her ligegyldigt, om en binding eller et atom er markeret. Klikket fører tilbage til tegnefeltet i ChemSketch, hvor du ser en ’molekylskygge’, der følger med musen. Placer molekylet på siden med et enkelt klik. Skabelonen eller skyggen er dog stadig med, så du kan afsætte flere kopier af det samme molekyle, men det skal du ikke gøre nu, så luk skabelonen med et højreklik.

• Markér molekylet (ikke nødvendigt, hvis det er det eneste på tegnefladen
• Vælg ACD/Labs | 3D Viewer (med mindre programmet er aktiveret)
• Kopiér molekylet til 3D viewer. Brug knappen Copy to 3D nederst til venstre i skærmbilledet

I 3D vieweren ses et molekylskelet uden H-atomer, og nederst til venstre teksten: Not 3d-optimized.

• Foretag 3D optimering (klik på det lille tetraeder).

Programmet beregner en rumlig struktur for molekylet. Under denne proces, der godt kan tage tid på langsomme computere, vrides "molekylet" på plads, og til slut vises molekylet med H-atomer.

• Rotér molekylet, så du kan se, om en D- eller en L-form er blevet dannet. Det kan du se ved at anbringe carboxylsyregruppen øverst og sidekæden bagud (sidekæden betegnes med R i den almindelige formel for en aminosyre).

Tip: Det kan være en fordel, at slippe strukturformlen (løfte pegefingeren fra museknappen) nu og da. Flyt musen til et nyt sted og tag fat igen.

Du kan ikke på forhånd vide, om 3D optimeringen ender med en D- eller en L-form, men du kan lave den anden stereoform på følgende måde:

• Vælg ChemSketch tegnemodul med strukturformlen for den tegnede aminosyre
• Klik på Flip left to right
• Tryk Copy to 3D-knappen og 3D-optimer molekylmodellen i 3D-viewer.
• Rotér strukturformlen, så du kan konstatere, om du har lavet den spejlbilledisomere form af aminosyren.

OPGAVE 1

I et tekstbehandlingsprogram skal du fremstille en tabel og placere D- og L-former af udvalgte aminosyrer i tabellen over for hinanden. De skal placeres, så det tydeligt fremgår, at der tale om spejlbilledisomere. Det vil være en god ide at forsyne hvert billede med aminosyrens navn (incl. D- eller L-). (Se Indsættelse af rumlig strukturformel om brug af klippebord og baggrundsfarve)

Aminosyrernes syrebase-egenskaber

Aminosyrerne indeholder to grupper med syrebase-egenskaber: aminogruppen (-NH₂), der har basekarakter, og carboxylsyregruppen (-COOH), der har syrekarakter. Da de to grupper sidder tæt ved hinanden, kan der ske en protonoverførsel fra carboxylsyregruppen til aminogruppen, altså inden for selve molekylet. Reaktionsproduktet kaldes en amfoion. Der er tale om en ligevægt, som ligger langt mod højre til fordel for amfoionen.

Ved brug af ChemSketch skriver du reaktionsskemaet for denne ligevægt således:

• Vælg en aminosyre, fx serin
• Vælg strukturmodul i ChemSketch. Placer to kopier af molekylet ud for hinanden på en tom side. Sørg for plads til en reaktionspil mellem dem

Du får nu adgang til en pil-værktøjskasse: Klik på den lille nedad-pil for at få adgang til at vælge pil-type. Vælg en dobbelt-pil (reaktionspil)

• Indsæt den valgte reaktionspil mellem de to aminosyremolekyler ved at holde venstre musetast nede og trække en lille firkant ud. Heri fremkommer så den ønskede reaktionspil.

I strukturmodulet ser du i værktøjsbjælken til venstre på skærmen en ikon.

• Lad musen hvile på A⁺ et øjeblik og se teksten: Increment (+) Charge (forøg (+) ladning). Markøren bliver til et + inde på tegnefladen. Klik på A⁺ (men klik uden for den lille hvide trekant – den prøver vi lige om lidt).
• Klik på det atom, der modtager protonen ved protonoverførslen (altså basen). Atomsymbolet forsynes med et ⁺ og et hydrogenatom bliver tilføjet.

Klik nu på den lille hvide trekant i A+-ikonen: Vælg A– (Decrement (-) Charge)
Klik med minus-markøren på det atom, der afgiver protonen ved protonoverførslen. Atomsymbolet forsynes med et –, og et hydrogenatom fjernes fra atomet. Det skulle gerne ende med at se således ud:
Tip: Hvis du vil have de to strukturformler og reaktionspilen til at stå ’pænt’ i forhold til hinanden, så kan du i Draw Mode markere alle tre objekter ved at trække en kasse uden om dem med musen. Vælg først den hvide pil til venstre på værktøjsbjælken for at kunne markere objekterne.
Når alle tre objekter er markeret (vist med sorte håndtag), klikker du på ikonen vist til højre. De markerede objekters centre bliver lagt på linie. Du kan i Draw Mode slå de tre objekter sammen til ét objekt, så bliver det nemmere at flytte eller kopiere. Vælg Object | Group (eller tast Ctrl+G).

Peptidbinding og peptider

Tripeptidet sammensat af alanin, histidin og phenylalanin betegnes: H₂N-ala-his-phe-COOH. Dette tripeptid skal konstrueres i ChemSketch:

• Husk at arbejde i Structure Mode. Begynd på et nyt dokument: Vælg File | New
• Vælg aminosyreskabelonen og klik på alaninmolekylet på skabelonsiden
• Placér molekylet på tegnefladen og luk skabelonen med et højreklik

Nu skal aminosyren histidin bindes til alanin. I alanin skal aminogruppen være fri (alanin sidder i den N-terminale ende). Det betyder, at aminogruppen fra histidin skal danne peptidbindning med carboxylsyregruppen fra alanin.

Vælg aminosyreskabelonen. Klik på N-atomet i histidins 2-aminogruppe. Det bevirker, at netop dette atom (N) bliver bindingpunkt, når "molekylskyggen" klikkes ind på et andet atom på tegnefladen. Aminogruppens N-atom i histidin skal nu bindes til C-atomet i alanins carboxylsyregruppe, og OH-gruppen skal forsvinde.

Hvis der klikkes på OH-gruppen, bliver histidin bundet til alanin, men ikke med en peptidbinding (atomerne i bindingen bliver C-O-N og ikke C-N). Prøv det – og fortryd efterfølgende med et klik på den blå ’fortryd-pil’.

Peptidbindingen tegnes rigtigt ved at SHIFT-klikke på OH-gruppen (hold SHIFT-tasten nede medens du klikker). Nu skulle C-atomet fra carboxylsyregruppen i alanin være blevet bundet til N-atomet fra histidin. De to molekyler er blevet koblet sammen ved en kondensationsreaktion.

TIP: Skyggebilledet fra Template-vinduet kan vendes ved hjælp af TAB-tasten, og derved kan man få lavet de to viste udgaver af det samme dipeptid (histidinmolekylet roteres om bindingen til aminogruppen):

Sådan fremhæves peptid-kæden

I ChemSketch vælges Draw Mode, når den ønskede struktur er tegnet.

Med tegneredskabet Polygon tegnes en sammenhængende polygon rundt om peptidkæden ved at placere ankerpunkter: Klik, bevæg musen til næste ankerpunkt og klik, bevæg musen til næste ankerpunkt og klik osv. Tegning afsluttes med højreklik.

• Tryk markeringspil | Dobbeltklik på tegneobjektet (den netop tegnede polygon) så Objects-panel åbnes.
• Vælg faneblad Fill | Tryk Style Solid
  (knap med sort firkant trykkes ind).
• Klik ved Color på den lille pil nedad og vælg udfyldningsgrad på 18% gray.
  (af hensyn til gengivelse i sort/hvid)

Polypetider forekommer ofte i en skrue- eller spiralform, hvor nabovindinger af spiralen fastholdes af hydrogenbindinger mellem N-H i én vinding og C=O i en over- eller underliggende vinding. De forskellige sidekæder på aminosyrerne peger alle mod skruens eller spiralens yderside. Forekomster af aminosyren cystein i et polypeptid kan medføre dannelse af disulfid-bindinger mellem forskellige steder på peptidkæden, så kæden fastholdes i en bestemt foldning eller struktur.

Figuren herunder viser octapeptidet H₂N-ala-his-phe-ser-ser-gly-val-leu-COOH, som antager en spiralstruktur. Til venstre er peptidet drejet, så du kigger ned gennem spiralen. Til højre er det samme molekyle drejet 90° opad mod papirets top, så spiralens akse ligger i papirets plan.

Selv med et 3D-billede er det vanskeligt at se spiralstrukturen på det sidste billede. Octapeptidet findes i en 3D-optimeret form i filen OCTAPEP.MOL.

Filen OCTAPEP.MOL kan åbnes i 3D-viewer ved at vælge: File | Import… eller via Import from Mol-file knap

Selv om der nu står Not 3d-optimized i statuslinien, er der ingen grund til at gennemføre en 3D-optimering. 3D-viewer er med et molekyle af denne størrelse tæt ved grænsen for sin formåen, og man risikerer efter længere tids beregning en melding om, at molekylet er for komplekst.

Carbohydrater

I det følgende gives der et oplæg til brug af ChemSketch som supplement i et undervisningsforløb om carbohydrater. Det bliver hurtigt uhensigtmæssigt at anvende traditionelle molekylbyggesæt i denne sammenhæng. Modeller af den størrelse bliver hurtigt skrøbelige, og kuglerne falder fra hinanden. Fokus flyttes derved væk fra det væsentlige, nemlig at opnå en forståelse af den rumlige opbygning.

Carbohydrater optræder oftest som ringformede molekyler eller kæder af ringe. Afhængigt af om molekylerne består af én, to eller flere ringe, opdeler man carbohydraterne i mono-, di- og polysaccharider.

Fischer-projektioner

Carbohydrater findes hovedsageligt på ringform, men det er lettest at se på den åbne form først. Carbohydrater inddeles i to hovedgrupper af molekyler; ketoser og aldoser. Ketoser indeholder altid en oxogruppe (en keton) på carbonatom nr. 2 og aldoser indeholder altid en oxogruppe (et aldehyd) på carbonatom nr. 1. D-fructose er et eksempel på en ketohexose. Betegnelsen hexose kommer af, at molekylet indeholder ialt seks carbonatomer. D-glucose er en aldohexose. Det ses på strukturformlen for D-fructose, at molekylet indeholder tre asymmetriske carbonatomer. Dette betyder, at D-fructose blot er én af i alt otte stereoisomere ketohexoser (fire stereopar). Tilsvarende er D-glucose blot én blandt seksten aldohexoser (otte stereopar).

D-fructose ketohexose

D-glucose aldohexose

Det store antal stereoisomere former er årsagen til, at man traditionelt ikke anvender systematiske navne for carbohydrater.

Betegnelsen D henviser til, at OH-gruppen på det nederste asymmetriske carbonatom sidder til højre (på latin dexter). Sidder OH-gruppen til venstre (på latin laevus) er det en L-form.

De to strukturformler herover er tegnet med ChemSketch på følgende måde:

• Bring ChemSketch i Structure Mode og indstil til at vise alle C- og H-atomer.
• Vælg Templates | Template Window (eller tast F5 eller tryk )

I Template Window vælger du således:

Molekylerne ovenfor er tegnet i en kombination af Fischer-projektion og tredimensional strukturformel. Du kan også vælge at tegne molekylerne i traditionel Fischer-projektion.

OPGAVE 2

I et tekstbehandlingsprogram skal du fremstille en tabel med de i alt fire carbohydrater (på D-form), som er stereoisomere med D-fructose. Skriv navnene på molekylerne nedenunder.

Ringstrukturer

Som nævnt tidligere forekommer carbohydrater stort set udelukkende på ringform. Enten som furaner (femringe) eller som pyraner (seksringe). Når ringslutningen foregår, opstår der to nye muligheder for stereoisomeri, en a -form og en b -form.

a -D-glucose	D-glucose		b -D-glucose
De to ringformer herover er begge tegnet som såkaldte Haworth-formler.
Med ChemSketch er der mulighed for at tegne ringene på fire forskellige måder: Fisher-projektion, Haworth-formel, stol-form og stereo-projektion.

Glucosidbindinger

De naturligt forekommende saccharider er opbygget enten som disaccharider, eller som polysaccharider. Både di- og polysaccharider er opbygget af monosaccharid-enheder, som er bundet sammen med glucosidbindinger. I princippet er dette sket via en række kondensationsreaktioner, hvorved glucosidbindingerne dannes samtidig med vandfraspaltning. Et eksempel på et kendt disaccharid er maltose (maltsukker), som er opbygget af to D-glucose enheder. Normalt er maltose tegnet således:

a -D-glucose	a -D-glucose	a (1 ® 4)glucosidbinding
		a -maltose

Men maltose kan også tegnes med ChemSketch på en anden måde, hvorved der kan opnås en bedre rumlig forståelse. I ChemSketch's tegnevindue startes en ny tegning:

• Vælg File | New. Der arbejdes i Structure Mode
• Vælg Template-vinduet | SUGARS: a -D-Pyr | Haworth-formel
• Klik på a -D-glucopyranose, som vi også kalder a -D-glucose
• Klik på molekylet på tegnefladen og luk template med et højreklik.
• Vælg Template | SUGARS: a -D-Pyr | Haworth-formel
• Klik OH-gruppe (nr 4) i a -D-glucopyranose
• SHIFT-klik på O-atomet i OH-gruppe på C nr. 1 i glucose på tegnefladen

Herved får du følgende billede på tegnefladen:

Nummerering af atomer i en strukturformel

Atomerne i en strukturformel kan få tilføjet numre:

• Hent a -D-glucopyranose ind på tegnefladen fra skabelonen og vælg Tools | Expand Shorthand Formulae.

Eksamen

Carbohydrater indgår i kernestoffet på mellem- og højt niveau. Desuden indgår aminosyrer og proteiner i kernestoffet på højtniveau. Programmet ChemSketch kan inddrages i eksamen, hvis der på forhånd er søgt om tilladelse hertil, og hvis eleverne har adgang en computer med programmet i såvel forberedelseslokalet som i eksamenslokalet.

Eksempel på eksamensspørgsmål

Carbohydrater

Forklar hvad et carbohydrat er. Omtal desuden mono-, di- og polysaccharider og herunder glucosidbindinger. Ved hjælp af programmet ChemSketch skal du redegøre for den rumlige opbygning af carbohydrater, og herunder specielt stereoisomeri.

Du kan desuden vælge at omtale eller demonstrere følgende:

Forskellige projektionsformer, påvisning af carbohydrater, eksempler på forekomster og anvendelser af carbohydrater, opløselighed, hydrokolloider......

Forsiden | Forrige kapitel | Næste kapitel