Speeksel, meer dan water in de mond Toets bij de module ”Chemie in de Mond” In de bijlage staan twee artikelen over de bufferende werking van speeksel. Lees deze twee artikelen globaal en vlot door. Vooral bij sportdranken valt het volgens het tweede artikel niet mee om de pH in de mond hoog genoeg te houden. Sommige dranken blijken veel meer zuur te bevatten dan andere dranken. De toets zal afgesloten worden met een vraag over remineralisatie. Volgens de bijlage (regel 12 en 13) is het belangrijkste buffersysteem in speeksel de bicarbonaatbuffer met een buffergebied tussen 6 en 7. De aanduiding bicarbonaat is, zoals uit Binas af te leiden, een triviale naam voor monowaterstofcarbonaat HCO3-. Daarmee is het nog niet duidelijk of het evenwicht met de vergelijking: HCO3- + H2O ' CO32- + H3O+ dan wel het evenwicht met de vergelijking: H2CO3 + H2O ' HCO3- + H3O+ in de bicarbonaatbuffer de belangrijkste rol speelt. 1p
1
Welk van deze twee evenwichten speelt de belangrijkste rol in de bicarbonaatbuffer in het speeksel? Leg uit. Gebruik bij je uitleg tabel 49 van Binas. Volgens het tweede artikel (regel 50) in de bijlage zijn sportdranken sterk aangezuurd: ze bevatten zelfs tot 300 g citroenzuur per liter. Sporters nemen telkens een slokje. Neem aan dat het volume van zo’n slokje 20 mL is.
2p
2
Bereken hoeveel mmol citroenzuur door één zo’n slokje sportdrank in de mond terechtkomt. In regels 6 tot en met 9 van het eerste artikel staat onder andere: de kritische pH van glazuur is ongeveer 4,5 tot 5. En: speeksel is in staat de pH in de mondholte constant te houden en zuren ingenomen via frisdranken te neutraliseren. Stel de pH van het speeksel is 6,35. Je gaat in de volgende vraag berekenen of de kritische pH van het glazuur gepasseerd wordt als je één zo’n slokje sportdrank neemt.
4p
3
Neem aan dat door het aantal mmol citroenzuur in zo’n slokje sportdrank 81,82 % van één van de bestanddelen van de bicarbonaatbuffer opreageert. Ga door berekening van de pH na of het glazuur dan zal kunnen worden aangetast. Volgens het tweede artikel (regels 43-48) kan het 2 tot 30 minuten duren voor de zuren geneutraliseerd zijn. Dat komt niet omdat neutralisatie een trage reactie zou zijn. De benodigde hoeveelheid base is zo groot dat het een tijd duurt voor dat deze aangevoerd is door nieuw speeksel. Je neemt een slokje van de sportdrank waarvan je in vraag 2 het aantal mmol citroenzuur hebt uitgerekend. (Als je vraag 2 niet hebt, neem dan aan dat het antwoord 32,2 mmol citroenzuur is. Dit is niet het juiste antwoord.) Je kunt berekenen hoeveel mg basisch zout minimaal in de carbonaatbuffer in het speeksel opgelost moet zijn om de pH onmiddellijk hoger te houden dan in vraag 3. Neem aan dat het basisch zout een natriumzout is. Neem aan dat de base in de molverhouding 3:1 met het citroenzuur reageert.
3p
4
Bereken het aantal mg van dat basisch natriumzout dat in het speeksel minimaal zou moeten zitten om bij zo’n zuuraanval de pH onmiddellijk boven de in vraag 3 berekende pH te houden. In regels 12 tot en met 15 van het eerste artikel staat: Het belangrijkste buffersysteem in het speeksel is de bicarbonaatbuffer met een buffergebied tussen pH 6 en 7 die instaat voor 85% van de bufferwerking van het speeksel. Op de tweede plaats komt de fosfaatbuffer met een buffergebied tussen pH 6,7 tot 7,7. Daarnaast is er nog een kleine bijdrage van eiwitten in de bufferende werking van het speeksel.
1p
5
Leg uit waardoor een van de drie buffersystemen voor een groter deel van de bufferwerking van het speeksel verantwoordelijk is dan de twee andere buffersystemen.
Speeksel 20-04-2010 v def s
1
Niet alle aminozuren die deel uitmaken van een eiwitketen kunnen evengoed bijdragen aan de bufferende werking van dat eiwit. Proline (tabel 67C1) dat deel uitmaakt van een eiwitketen kan dat bijvoorbeeld slechts in zeer geringe mate. 2p
6
Onder welke voorwaarde kan het aminozuur proline dat deel uitmaakt van een eiwitketen slechts bijdragen aan de werkzaamheid van dat eiwit als buffer? Leg uit. Op het eind van het tweede artikel staat een tabel. In de tabel zie je dat de maatstaf voor neutralisatie van verse Coca-Cola hoger is dan die van oude Coca-Cola. Maatstaf voor neutralisatie is voor ons geen gebruikelijke vakterm. Voor de Vlaamse tandheelkunde kennelijk wel.
1p
7
1p
8
Waardoor is de maatstaf voor neutralisatie van verse Coca-Cola hoger dan van oude (uit een reeds enige tijd geopende fles) Coca-Cola? Hoe kun je een maatstaf voor neutralisatie vaststellen? In de alinea boven de tabel staat dat pompelmoessap (grapefruitsap) minder zuur is dan Coca-Cola, maar veel moeilijker te neutraliseren. De maatstaf neutralisatie van pompelmoessap is (zie tabel) 22,0. Moeilijker slaat niet op een trage reactie.
1p 1p
9 Hoe kan pompelmoessap een veel hogere maatstaf neutralisatie hebben dan Coca-Cola? 10 Hoe kan pompelmoessap toch een hogere zuurgraad hebben dan Coca-Cola? Het eerste artikel gaat ook over remineralisatie. Regels 27 tot en met 36 van het eerste artikel gaat over de rol hierin van statherine. Lees dit fragment. Je kunt nu een uitspraak doen over de bindingssterkte van Ca2+-ionen met A. het ionrooster in het glazuur, B. de fosfaationen in het speeksel, C. complexerende statherinemoleculen.
2p
11 In welke volgorde neemt de bindingsterkte tussen Ca2+ en A, B en C af? Noteer je antwoord als: letter > letter > letter. Leg je antwoord uit.
Speeksel 20-04-2010 v def s
2
Speeksel, meer dan water in de mond Toets bij de module ”Chemie in de Mond Omdat het een module specifieke toets betreft, is een nadere introductie van de context overbodig
beoordelingsmodel 1
maximumscore 1 H2CO3 + H2O ' HCO3- + H3O+ De pH ligt in de buurt van 6,35 / de pKZ van koolzuur / H2O + CO2 / H2CO3 / niet in de buurt van 10,33 / de pKZ van waterstofcarbonaat / HCO3-/ Door een andere verhouding zuur: geconjugeerde base kun je nooit het verschil van 10,33 en 6,35 overbruggen.
2
maximumscore 2 Het antwoord is 31,3 mmol • 300 delen door de molaire massa (192) van citroenzuur • vermenigvuldigen met 20 en delen door 1000 of antwoord zondermeer in mmol geven
3
4
maximumscore 4 Voorbeeld van een juist antwoord: 6,35 = pH + p(100-81,02/100+81,02) De nieuwe pH is 5,35 dus het glazuur wordt niet aangetast. • de verhouding tussen zuur en geconjugeerde base bij pH 6,35 = 1: 1 • restende hoeveelheid base is 100-81,02% • nieuwe hoeveelheid zuur is 100+81,02% • van nieuwe verhouding de logaritme nemen, nieuwe pH berekenen en conclusie trekken Opmerking: als een deel van het laatste onderdeel fout is, het punt niet toekennen.
1 1
1 1 1 1
maximumscore 3 Voorbeeld van een juist antwoord: 31,3 mmol citroenzuur reageert met 93,8 mmol NaHCO3. Dat was 81,82% van de aanwezige hoeveelheid HCO3-. 100% is 115,7 mmol. Dat weegt 115,7 × 84,01 mg = 9701 mg. (Of uitgaande van 32,2 mmol citroenzuur: 32,2 mmol citroenzuur reageert met 96,6 mmol NaHCO3. Dat was 81,82% van de aanwezige hoeveelheid HCO3-. 100% is 118,1 mmol. Dat weegt 118,1 × 84,01 mg = 9922 mg.) • het aantal mmol van het bestanddeel = aantal mmol citroenzuur maal 3 • 81,82% omrekenen naar 100% • vermenigvuldigen met de molaire massa van NaHCO3 (84,01, Binas 98)
5
maximumscore 1 Van het belangrijkere buffersysteem zijn de concentraties hoger / is de buffercapaciteit hoger.
6
maximumscore 2 • het moet eindstandig zijn / het moet aan het begin of het eind / aan de uiteinden zitten • anders heeft proline geen vrije zuur / COOH of base / NH2 groepen
1 1 1
1 1
7
maximumscore 1 Er verdwijnt koolzuur / H2CO3 / er ontwijkt CO2 .
8
maximumscore 1 door titratie / meten hoeveel NaOH / base oplossing / loog / er nodig is voor neutralisatie / een indicator toevoegen en NaOH / base oplossing / loog toedruppelen
9
maximumscore 1 De (totale) concentratie zuur is hoger / Er zit (in totaal) meer zuur per liter in dan in cola / het zuur in pompelmoessap lost beter op dan CO2 / Er zitten meer meerwaardige zuren in het pompelmoessap.
Speeksel 20-04-2010 v def s
3
10
maximumscore 1 in pompelmoessap is het zuur zwakker / heeft een hogere pKZ / lagere KZ dan in cola.
11
maximumscore 2 Antwoord: A>C>B • het complex / het statherine verhindert Ca2+ aan fosfaat te binden (C>B) 1 • het glazuur kan Ca2+ van het complex losmaken / het complex staat zijn Ca2+ aan het aangetaste glazuur af. (A>C) 1
Speeksel 20-04-2010 v def s
4
BIJLAGE
Speeksel, meer dan water in de mond
auteur: Prof. Dr. Peter Bottenberg Vakgroep COPR Vrije Universiteit Brussel
Bufferende en remineraliserende werking 5
10
15
20
25
30
35
Alhoewel tandglazuur een zeer hard weefsel is, is het uiterst kwetsbaar voor de verlaging van de pH. Dit geldt nog in grotere mate voor het dentine. De kritische pH van glazuur is ongeveer 4,5 tot 5, deze van dentine 5,5 tot 6. Speeksel is in staat de pH in de mondholte constant te houden en zuren geproduceerd door cariogene micro-organismen of aangebracht via de voeding (frisdranken, fruitsap) te neutraliseren. Daarnaast bevat speeksel ook een specifiek proteïne dat in staat is de calcium- en fosfaatconcentratie te verhogen boven hun chemisch oplosbaarheidsproduct. Het belangrijkste buffersysteem in het speeksel is de bicarbonaatbuffer met een buffergebied tussen pH 6 en 7, die instaat voor 85% van de bufferwerking van het speeksel. Op de 2de plaats komt de fosfaatbuffer met een buffergebied tussen pH 6,7 tot 7,7. Daarnaast is er nog een kleine bijdrage van eiwitten in de bufferende werking van het speeksel. Om een optimale bufferende werking uit te voeren moet uiteraard de plaquelaag vrij dun zijn. Zuren die in diepe plaquelagen geproduceerd worden, worden pas zeer laat door hun diffusie van zuren naar het speeksel en buffers uit het speeksel naar de plaque geneutraliseerd. De bufferende werking neemt over het algemeen toe naarmate de secretie stijgt (Dawes, 1974). De bufferende werking zorgt ervoor dat de pH daling na suikeropname in de plaquelagen boven het glazuuroppervlak binnen een half uur weer geneutraliseerd is. Maar het bufferen alleen zal niet volstaan om de ravages door cariës in perken te houden. Hiervoor moet om een oplossen van tandmineralen te verhinderen en eventueel een remineralisatie te bekomen, ook calcium en fosfaat worden aangebracht. Calcium en fosfaat zijn stoffen met een betrekkelijk laag oplosbaarheid product. Reeds kleine concentraties van calcium en fosfaat hebben de neiging om neer te slaan en aldus niet meer in oplossing ter beschikking te staan (Tamaki et al., 2001). Om de concentratie aan calcium en fosfaat in speeksel boven deze concentratie te houden, moet calcium worden gecomplexeerd door een eiwit: het statherine. Statherine is een kort eiwit met een groot gehalte aan de aminozuur proline. Deze proteïnes hebben een grote capaciteit voor het binden van calcium, ze zijn verwant met caseïnes uit de melk die eveneens voor een verhoogde calciumconcentratie zorgen, dit voor de groeibehoefte van de baby. Door hun grote interactiecapaciteit met calcium vindt men statherine en andere prolinerijke proteïnes ook in de pellikellaag die neerslaat op de glazuuroppervlakte. Vermits vele speekselproteïnes een dubbele functie hebben, werkt statherine tevens antibacterieel (Kochanska et al, 2(00). Fluoride kan ook in het speeksel worden teruggevonden, in het algemeen bedraagt de concentratie 63% van dat bloedplasma (Ekstrand et al., 1977).
Zure sportdranken tasten tandglazuur aan
40
Sportdranken zijn onmisbaar voor de aanvoer van koolhydraten tijdens duurinspanningen, maar vaak ook zeer zuur en dus schadelijk voor het tandglazuur. Voor atleten die veel sportdrank verbruiken, is een bezoek aan de tandarts een absolute aanrader.
Speeksel 20-04-2010 v def s
5
45
50
55
Normaal prikkelt zure voeding of zure drank de speekselvloed en worden de zuren vrij snel geneutraliseerd, al kan de blootstelling aan het zuur tot 2 minuten duren. Atleten die zeer frequent kleine slokken drinken en de drank nog even in de mond rondspoelen, kunnen hun blootstelling aan de zuren zo aanzienlijk verlengen. Bij uitdroging of bij atleten met een droge mond en weinig speeksel kan het echter tot 30 minuten duren vooraleer de zuren geneutraliseerd zijn en de toestand in de mond weer normaal is. Het risico op glazuurerosie neemt in zulke omstandigheden sterk toe. Sportdranken zijn sterk aangezuurd: ze bevatten zelfs tot 300 g citroenzuur per liter. Erosie treedt op als de pH of zuurtegraad lager is dan 5,5. Er zijn drie verklaringen voor het feit dat sporters een groter risico lopen op erosie van het tandglazuur: • • •
uitdroging, met als gevolg minder speekselvloed; zeer frequent kleine slokken drinken, waardoor het milieu in de mond langer zuur blijft; gebruik van dranken met een lage pH, zoals sportdrank of fruitsap.
Sporters die tijdens langdurige sportbeoefening regelmatig sportdrank met kleine slokjes drinken, hebben een verhoogd risico op tanderosie. Het toevoegen van calcium zou het risico op erosie ook verminderen, maar dit zou de smaak negatief beïnvloeden.
60
Bij dranken is niet alleen de zuurheid belangrijk voor de bedreiging van het glazuur, maar ook het gemak waarmee ze geneutraliseerd kunnen worden. Pompelmoessap bv. is minder zuur dan cola, maar veel moeilijker te neutraliseren en dus véél erosiever voor het glazuur (tabel 1). Volgens deze tabel ligt de maatstaf voor neutralisatie van sportdranken gemiddeld slechts iets lager dan deze van sinaasappelsap en aanzienlijk hoger dan deze van cola. 65 Frisdrank
Maatstaf neutralisatie
Zuurgraad
Coca-Cola (vers) 2,4
3,9
Coca-Cola (oud) 2,4
0,9
3,0
10,0
Pompelmoessap 3,2
22,0
Sinaasappelsap 3,6
12,4
Isodrank
Isostar
3,7
4,0
70
Tabel 1: zuurheid van enkele dranken en een maatstaf om ze te neutraliseren Bron: Tandheelkundige tijdingen 2001; 29: 133-171. 75
Speeksel 20-04-2010 v def s
6
