Eindexamen scheikunde vwo 2017, tijdvak 1

Geef de formule van het ontbrekende deeltje. Uit onderzoek naar de structuur van PAL bleek dat in PAL een opvallende kenmerkende groep aanwezig is: de zogeheten MIO-groep. De MIO-groep is in figuur 2 weergegeven. De MIO-groep wordt bij de synthese van PAL gevormd door ringsluiting van een deel van de eiwitketen dat kan worden weergegeven met ~ Ala – Ser – Gly ~ . figuur 2 De eerste stap in de vorming van de MIO-groep is de sluiting van de in figuur 2 weergegeven vijfring door een additiereactie binnen het enzymmolecuul. In de reacties die leiden tot MIO worden twee watermoleculen afgesplitst. Hierbij wordt onder andere de C=C binding gevormd.

De onderzoekers vermoedden dat de MIO-groep een rol speelt in de omzetting van fenylalanine tot kaneelzuur. Om vast te stellen welke aminozuureenheden nog meer een rol spelen bij de omzetting, hebben ze rondom de MIO-groep veranderingen aangebracht in de aminozuur- samenstelling van PAL. Wanneer op positie 110 het aminozuur Phe werd ingebouwd, bleek de gevormde PAL nauwelijks nog katalytische activiteit te vertonen. In actieve PAL is op plaats 110 de aminozuureenheid Tyr ( Tyr 110) aanwezig.

Geef twee chemische redenen waarom Phe is gekozen als vervanger van Tyr 110. Licht je antwoord toe, zodat duidelijk wordt waarom dit voor het onderzoek relevante redenen zijn. Om deze PAL-variant te kunnen produceren, hebben de onderzoekers in een micro-organisme een puntmutatie aangebracht in het deel van het DNA dat codeert voor PAL. Een puntmutatie is de vervanging van een basenpaar in het DNA door een ander basenpaar. De code voor het eerste aminozuur van PAL begint bij het basenpaar met nummer 1.

Nader onderzoek leidde uiteindelijk tot opheldering van de rol van de MIO-groep en van Tyr 110 bij de omzetting van fenylalanine tot kaneelzuur. De volgende punten zijn vastgesteld: − De MIO-groep bevindt zich in een holte van het enzym en katalyseert de omzetting van fenylalanine; − de restgroep van Tyr 110 bevindt zich bij de ingang van deze holte; − bij het pH-optimum van PAL heeft de restgroep van Tyr 110 een negatieve lading. In figuur 3 is schematisch weergegeven hoe volgens de onderzoekers een fenylalanine-deeltje het actieve centrum van een molecuul PAL nadert. figuur 3 Tyr 110 oefent aantrekkende en afstotende krachten uit op atoomgroepen van een fenylalanine-deeltje. Door deze interacties wordt het fenylalanine- deeltje georiënteerd zoals in figuur 3 is weergegeven.

Leg uit welke twee elektrostatische interacties tussen een fenylalanine- deeltje en het Tyr 110 ervoor zorgdragen, dat een fenylalanine-deeltje de holte binnengaat op de manier zoals is weergegeven in figuur 3. Geef ook aan welke atoomgroep van het fenylalanine-deeltje betrokken is bij elke afzonderlijke interactie. In een meting bleek een monster van 148 mg onzuivere PAL de vorming van 158 µmol kaneelzuur per minuut te katalyseren. Het monster bestond voor 90 massa% uit PAL. De overige 10 massa% bestond uit enzymen zonder katalytisch effect op de reactie. Met behulp van deze gegevens is het mogelijk de turnover frequency (TOF) te berekenen. De TOF is gedefinieerd als het aantal substraatmoleculen dat per minuut door één molecuul PAL kan worden omgezet.

Maak de vergelijking op de uitwerkbijlage compleet. Gebruik structuurformules. Op de wafer wordt eerst een laag siliciumdioxide aangebracht. Daarop wordt een fotogevoelige laag aangebracht. De fotogevoelige laag bevat copolymeer X en een fotogevoelige stof, PAG. De fotogevoelige laag wordt met uv-licht in het gewenste patroon beschenen. Onder invloed van uv-licht vormt een molecuul PAG één H + ion. De gevormde H + ionen zitten niet vast op één plek, maar diffunderen langzaam door de fotogevoelige laag. De H + ionen katalyseren de omzetting van de BOC-4- hydroxystyreen-eenheden uit copolymeer X tot 4-hydroxystyreen- eenheden, methylpropeen en koolstofdioxide.

Na het belichten zijn in de belichte delen alle BOC-4-hydroxystyreen- eenheden omgezet. Vervolgens wordt de wafer gespoeld met een oplosmiddel. In figuur 1 is het belichten en spoelen van een deel van de wafer schematisch weergegeven. figuur 1 spoelen met oplosmiddel patroon Poly-4-hydroxystyreen en copolymeer X verschillen in hun oplosbaarheid. Ze lossen beide niet goed op in water. Maar poly-4-hydroxystyreen lost wel op in een basische oplossing en copolymeer X niet. Door te spoelen met een basische oplossing lossen alleen die delen van de fotogevoelige laag op die met uv-licht zijn beschenen. De oplosbaarheid van poly-4-hydroxystyreen in een basische oplossing is te verklaren met behulp het gegeven dat de OH groep van elke 4-hydroxystyreeneenheid in een basische oplossing een H + afstaat.

Nadat de wafer is ontwikkeld, wordt hij geëtst met een gasmengsel van CF 4 en H 2 . Hierbij wordt de SiO 2 laag verwijderd op de plekken waar deze niet wordt beschermd door de fotogevoelige laag. Zo ontstaat het gewenste patroon in de SiO 2 laag. Onder de gebruikte omstandigheden valt een groot deel van de moleculen CF 4 en H 2 uiteen en worden radicalen en dubbelradicalen gevormd. Het mengsel dat zo ontstaat wordt een plasma genoemd. In dit plasma treden de volgende reacties op: CF 4 → CF 2 •• + 2 F• H 2 → 2 H• H• + F• → HF Dit plasma reageert vervolgens met SiO 2 : SiO 2 (s) + 4 F• → SiF 4 (g) + 2 O•• SiO 2 (s) + 2 CF 2 •• → SiF 4 (g) + 2 CO (g) Op plekken waar de SiO 2 laag weg gereageerd is, kan het plasma ook met het silicium reageren volgens: Si (s) + 4 F• → SiF 4 (g) Het doel van het etsen is om uitsluitend de SiO 2 laag te verwijderen terwijl de Si laag intact blijft. De concentratie H 2 in het plasmamengsel beïnvloedt zowel de snelheid waarmee SiO 2 wordt geëtst (de etssnelheid) als de mate waarin SiO 2 ten opzichte van Si wordt geëtst (de selectiviteit).