Institutionen för Medicinsk Biokemi och Biofysik Biomedicinprogrammet Medicinsk biokemi Seminarieuppgifter i Medicinsk biokemi

Transkript

1 Institutionen för Medicinsk Biokemi och Biofysik Biomedicinprogrammet Medicinsk biokemi 2012 Seminarieuppgifter i Medicinsk biokemi

2 Seminarieuppgift 1: Glykolys och glukoneogenes Hur får musklerna energi i början av ett lopp? Vilka föreningar finns redan i muskeln och vilka kommer med blodet? Träning leder till att blodförsörjningen till musklerna byggs ut. Hur kan det förklaras att benen känns stumma när man är otränad? Vilken förening är boven, och hur bildas den från glukos? Gå i detalj igenom samtliga steg från glukos till föreningen i fråga (med strukturformler). Ange namn på alla intermediärer, enzymer, koenzymer och kosubstrat. Gå igenom exakt vad som sker kemiskt i varje steg och hur enzymen verkar. Hur regleras de hastighetsbestämmande stegen? Varifrån får muskler och hjärna glukos om man inte ätit? Hur skiljer sig processen från glykolysen? Hur regleras processen? How do the muscles get energy in the beginning of a race? Which compounds are already present in the muscle and which come via the blood? Training increases the blood supply in the muscles. How can that explain the numbness in the legs when you have not trained? Which compound is responsible and how is it formed from glucose? Go through all steps from glucose to this compound in detail (with formulas). Give the names of all intermediates, enzymes, coenzymes and cosubstrates. Describe what happens chemically in each step and how the enzymes participate. How are the ratelimiting steps regulated? Where do the muscles and brain get their energy during fasting? How is the process different from glycolysis? How is the process regulated? 2

3 Seminarieuppgift 2: Citronsyracykeln och oxidativ fosforylering Efter en längre tids träning ökar blodförsörjningen i benen, och lungorna fungerar också bättre. Hur transporteras syre i blodet? Hur bryts glukos ned i muskeln när cellerna får det syre som behövs? Var i cellen sker processerna, och hur sker transporten mellan dessa rum? Hur överförs substrat från glykolys till citronsyracykel? Redogör för citronsyracykeln i detalj med formler för alla intermediärer. Namnge intermediärerna, enzymer, coenzymer och cosubstrat. Varför måste citrat isomeriseras innan det oxideras? Undersök vad som händer med de märkta kolen om [1,2-14 C]acetyl-CoA används som substrat under ett varv i citronsyracykeln. Vad sker kemiskt i de olika stegen, hur verkar enzymen och vad sker i cykeln i stort? Hur kan man kemiskt förklara dekarboxyleringen av oxalosuccinat (en β-ketosyra)? Hur regleras citronsyracykeln? En poäng med citronsyracykeln är att bilda reducerade coenzymer som kan oxideras i elektrontransportkedjan (andningskedjan). Var finns elektrontransportkedjan, hur är den uppbyggd och hur fungerar den? Förklara hur oxidationen av coenzymerna driver bildningen av ATP. Hur mycket ATP erhålls? Hur regleras processen? Också NADH som bildas utanför mitokondrien kan oxideras trots att membranet inte släpper igenom NADH. Hur går det till? After training for some time the blood supply increases in the legs and the lungs also work better. How is oxygen transported in blood? How is glucose metabolised in the muscle when the cells get the oxygen they need? Where in the cell do the processes take place, and how are compounds transported between the compartments? How is substrate transferred from the glycolysis to the citric acid cycle? Describe the citric acid cycle in detail with formulas of all intermediates. Give the names for all intermediates, enzymes, coenzymes and cosubstrates. Why does citrate have to be isomerised before being oxidized? Investigate the fate of the labelled carbons if [1,2-14 C]acetyl-CoA is used as a substrate for one turn of the cycle. What happens chemically in the individual steps and in the cycle as a whole? Look at the role of the enzymes. How is the decarboxylation of oxalosuccinate (a β-keto acid) explained? How is the citric acid cycle regulated? One role of the citric acid cycle is to produce reduced coenzymes that can be oxidized in the respiratory chain. Where is this located, how is it organized and how does it work? Explain how the oxidation of coenzymes causes the formation of ATP. How much ATP is obtained? How is the process regulated? NADH formed outside the mitochondrion can also be oxidized in spite of the impermeability of the membrane to NADH. Explain how this is done! 3

4 Seminarieuppgift 3: Glykogenmetabolism För att förbereda sig inför en längre fysisk anstränging som t.ex Vasaloppet är det viktigt att träna ordentligt flera gånger i veckan. Under långvarig fysisk ansträngning som under ett Vasalopp förbränner man mycket kolhydrater. Många äter därför massor av kolhydrater i form av spagetti och ris ( kolhydratladdar ). Mellan olika träningspass omvandlas glukos till glykogen. Hur är glykogen uppbyggt? Redogör för nysyntesen av glykogen. Hur länge räcker glykogendepåenar under ett Vasalopp? I vilka organ finns glykogen lagrat och vilken huvudsaklig funktion har glykogenet i respektive vävnad? Beskriv alla enzymer som behövs vid nedbrytningen av glykogen samt vilka produkter som bildas när glykogen bryts ner till glukos. Hur regleras glykogenomsättningen (d.v.s. glykogenes och glykogenolys) och hur samordnas de båda processerna? Beskriv den övergripande effekten av insulin och adrenalin på glykogenomsättningen. Beskriv i detalj hormonernas signal-transduktionsmekanism (från receptorprotein till målenzym). In order to prepare for a longer physical effort such as Vasaloppet it is important to train regularly several times a week. During a longer physical exercise such as Vasaloppet one utilizes a lot of carbohydrates. Therefore many people consume a lot of carbohydrates in form of spaghetti and rice. Between the different periods of training glucose is converted to glycogen. How is glycogen built up? Describe the synthesis of glycogen. How long time do the glycogen deposits last during Vasaloppet? In which organs is glycogen stored and what is the main function for the glycogen in the respective tissues? Describe all enzymes that are needed upon breakdown of glycogen together with which products that are generated when glycogen is broken down to glucose. How is the glycogen metabolism regulated (glycogenesis and glycogenolysis) and how are these processes coordinated? Describe the overall effects of insulin and epinephrine on the glycogen metabolism. Describe in detail the hormonal signaltransduction mechanism (from the receptor protein to the target enzyme) 4

5 Seminarieuppgift 4: Biosyntes av lipider Redogör för omvandlingen av glukos till fettsyror. Var i kroppen sker det, och var sker stegen subcellulärt? Vilka steg är reglerade och hastighetsbestämmande, och hur går regleringen till? Det debatteras om fettsyror bildas i någon nämnvärd utsträckning hos människa. Vad finns det som talar för och emot detta? Fettsyror lagras inte fria (varför?) utan som triacylglyceroler. Hur bildas dessa? De fettsyror vi får med kosten är inte alltid just de som behövs i kroppen. Hur kan fettsyror modifieras? Ett exempel är omvandlingen av linolsyra till arakidonsyra. Gå igenom de enskilda stegen i denna omvandling! Kroppen behöver alltså fettsyror, och det är bl a för att bygga upp de biologiska membranerna kring och inne i cellerna. Där är det fosfolipider och kolesterol som ingår. Beskriv nysyntesen av fosfatidylkolin, fosfatidyletanolamin och fosfatidylserin samt hur dessa kan omvandlas i varandra. Ange likaså hur fosfatidylinositol bildas och används i signaltransduktion och för att binda proteiner till cellytan. Vi får kolesterol med födan, men dessutom kan kolesterol bildas i kroppen. Var och hur sker det? Gå igenom alla steg formelmässigt och gå igenom vad som kemiskt sker i de enskilda stegen. För nysyntes av både fettsyror och kolesterol behövs NADPH. I vilka reaktioner bildas NADPH från NADP +? Describe the conversion of glucose to fatty acids. Where in the body does it take place, and what is the subcellular localization of the steps? Which steps are regulated and rate-limiting, and what is the mechanism behind the regulation? It is much debated whether fatty acids are formed to any significant extent in man. Which are the arguments for and against this? Fatty acids are not stored as such (why?) but instead as triacylglycerols. How are these formed? The fatty acids we get in the diet are not always those that we need in the body. How are fatty acids modified? An example is the conversion of linoleic acid to arachidonic acid. Describe the individual steps of this conversion! The body needs fatty acids, e g for biological membranes around and in the cells. Phospholipids and cholesterol are used there. Describe the synthesis of phosphatidylcholine, phosphatidylethanolamine and phosphatidylserine and how these are interconverted. Show how phosphatidylinositol is formed and used in signal transduction and to bind proteins to the cell surface. We get cholesterol from the diet but in addition it is formed in the body. Where and how does this take place? Describe all the steps with formulas and what happens chemically in the individual steps. De novo synthesis both of fatty acids and cholesterol requires NADPH. In which reaction is NADPH formed from NADP +? 5

6 Seminarieuppgift 5: Lipolys, ketonkroppar Musklernas glykogendepåer tar slut efter någon mils löpning, och i stället används fettsyror från fettväven. Vilka hormoner aktiverar respektive hämmar lipolysen och hur går det till? Hur bryts triacylglycerolerna ner och hur och vart transporteras produkterna? Hur utvinns energi från fettsyrorna i muskelcellen? Gå igenom alla steg från fettsyra i blodet till koldioxid. Hur sker oxidationen av omättade fettsyror? Hur mycket energi utvinns vid fullständig förbränning av palmitinsyra och linolsyra? Vilka celler kan inte använda fettsyror som energikälla? När man fastar går fettsyror till levern och omvandlas till ketonkroppar. Hur styrs detta? Hur går syntesen av ketonkroppar till, vilka är de och vilka effekter har de? Hur utnyttjas ketonkropparna i vävnaderna i kroppen? Vilka celler kan inte använda ketonkroppar? Vad finns det för likheter och skillnader mellan diabetes och svält? The glycogen stores in the muscles are empty after about 20 km of running, and instead fatty acids from the adipose tissue are used. Which hormones activate and which inhibit the lipolysis, and what is the detailed mechanism? How are the triacylglycerols degraded and how and where are the products transported? How is energy derived from the fatty acids in muscle cells? Describe all steps from fatty acid to carbon dioxide. How does the oxidation of unsaturated fatty acids take place? How much energy (ATP) is obtained in complete combustion of palmitic acid and linoleic acid, resp.? Which cells cannot use fatty acids as energy source? During fasting the fatty acids go to the liver and are converted to ketone bodies. How is this regulated? Describe the synthesis of ketone bodies, which they are, and which effects they have. How are ketone bodies utilized in the tissues of the body? Which cells cannot use ketone bodies? What are the similarities and differences between fasting and diabetes? 6

7 Seminarieuppgift 6: Aminosyrametabolismen När man fastar måste man ändå få glukos till vissa processer (vilka?). Därför bryts muskelproteiner ner. Hur regleras detta hormonellt? Vart tar aminosyrorna vägen, och hur omvandlas de till glukos? Vilka aminosyror lämnar muskeln och vilka metaboliseras på plats? Speciellt för aminosyrorna är kvävet. Hur hanteras det när aminosyrorna bildar glukos? Gå igenom de initiala enzymreaktionerna i detalj. Hur utsöndras kvävet från kroppen? För att omvandlas till glukos omvandlas många aminosyror först till citronsyracykelintermediärer. Följ omvandlingen av isoleucin till glukos i det metabola schemat. Gå igenom de individuella reaktionerna fram till citronsyracykeln, och ange deras coenzymkrav. Flera aminosyror (vilka?) avger ett enkolfragment under sin metabolism. Detta kan sedan användas för bildning av puriner och pyrimidiner som ingår i DNA-syntes. Hämningar av reaktioner i enkolpoolen kan därför bromsa tillväxten av tumörceller och bakterier. Förklara hur enkolpoolen är uppbyggd och hur sulfa verkar! Vilka vitaminer behövs för enkolpoolen, hur är de uppbyggda och hur omvandlas de till aktiv form? Vid leverskador läcker cellerna ut vissa enzymer som ingår i aminosyrametabolismen vilka är det och vilken funktion har de? Samtidigt kan leverskadan ge upphov till gulsot, som beror på att bilirubinhalten stiger i blodet. Bilirubin bildas från hem. Gå igenom hur hem bildas och omvandlas till bilirubin, och hur bilirubin utsöndras. Varför ökar bilirubinhalten vid leverskada? During fasting there is still a need for glucose for some processes (which ones?). Thus the proteins in the muscles are degraded. How is this regulated hormonally? Where do the amino acids go, and how are they converted into glucose? Which amino acids leave the muscle and which are metabolised locally? Characteristic for the amino acids is the nitrogen. How is this handled when the amino acids form glucose? Describe the initial enzymatic reactions in detail. How is the nitrogen excreted from the body? To be converted to glucose many amino acids are first converted to intermediates in the citric acid cycle. Follow the conversion of isoleucine to glucose in the metabolic scheme. Study the individual reactions up to the citric acid cycle, and specify their coenzyme requirements. Several amino acids (which ones?) release a one-carbon fragment during the metabolism. This can then be used for the synthesis of purines and pyrimidines, which are used in the synthesis of DNA. Thus, inhibitions of reactions in the one-carbon pool can be used to slow down the growth of tumour cells and bacteria. Explain how the one-carbon pool is organized and the action of sulfonamides! Which vitamins are required for the one-carbon pool, what is their general structure and how are they converted to the active form? Liver damage cause leakage to the blood of some enzymes involved in amino acid metabolism which ones, and what is their function? The liver damage can also cause icterus, due to increased levels of bilirubin in blood. Bilirubin is formed from heme. Describe the formation of heme, and the formation and excretion of bilirubin! Why is the level of bilirubin elevated in liver disease? 7

8 Seminarieuppgift 7: Nukleotider Gikt är en sjukdom som gör att man får mycket ont i små leder, t ex i tån. Förklara dessa symptom genom att diskutera nukleotidomsättningen. Tänk igenom de novo syntes av purin- och pyrimidinnukleotider. Salvage pathway är mycket viktig för att upprätthålla koncentrationen av purinnukleotider. Hur kan kolhydratdelen i nukleotiderna bildas från glukos? Hur kataboliseras purin och pyrimidinnukleotider? Hur verkar allopurinol? Nukleotider är byggstenar för RNA och DNA. Vilka är de viktigaste stegen i de novo syntesen av AMP och GMP? Hur bildas ATP och GTP, och motsvarande deoxyribonukleotider? Vilka är de viktiga stegen i de novo syntesen av UMP? Hur omvandlas denna förening till UTP, CTP, dttp och dctp? Gout is a disease causing severe pain in small joints, e g in the toe. Explain these symptoms by discussing the metabolism of nucleotides. Consider the de novo synthesis of purine- and pyrimidine nucleotides. The salvage pathway is very important to maintain the concentrations of purine nucleotides. How is the carbohydrate part in the nucleotides formed from glucose? How are purine and pyrimidine nucleotides catabolized? What is the mechanism behind the effect of allopurinol? Nucleotides are building blocks for RNA and DNA. Which are the most important steps in the de novo synthesis of AMP and GMP? How are ATP and GTP formed, and how are the corresponding deoxyribonucleotides formed? Which are the most important steps in the de novo synthesis of UMP? How is this compound converted into UTP, CTP, dttp and dctp? 8

9 Seminarieuppgift 8: Artiklar Besvara följande allmänna frågor för varje artikel: Vad är frågeställningen? Vad visste man tidigare, och var kan man hitta information om detta? Vad har man gjort, och hur kan man ta reda på mer om tillvägagångssättet? Vad har man funnit som är nytt? Hur förklaras resultaten? Hur kan de sättas in i ett större sammanhang? Besvara följande specifika frågor för artikeln: Ron S. Ronimus and Hugh W. Morgan (2004): Cloning and biochemical characterization of a novel mouse ADP-dependent glukokinase. Biochem Biophys Res Commun, 315, Ange kortfattat syftet med studien och varifrån idén kom att enzymet kunde finnas! 2. Hur bestämdes enzymaktiviteten? Ange den fullständiga reaktionssekvensen och förklara. 3. Vid bestämning av Km i Fig. 3 har man tämligen godtyckligt bara tagit med värden där glukoskoncentrationen varit under eller lika med 0,35 mm. Vilken effekt skulle det blivit på Km-värdet om alla värden tagits med? Förklara! 4. Hur bestämde man enzymets molekylmassa och om enzymet var en monomer eller oligomer? Förklara principerna för de använda metoderna! 5. Härled och skriv nettoreaktionen för anaerob glykolys under förutsättning att all glukosfosforylering sker med ADP-GK och att det är snabb jämvikt i adenylatkinasreaktionen! Diskutera slutsatsen i diskussionen att processen kan spara ATP. För härledningen kan du utgå från det som står i artikeln. Michel A. Sciotti, Steven Tam, Bendicht Wermuth, Michael E. Baker (2006): Differences in catalytic activity between rat testicular and ovarian carbonyl reductases are due to two amino acids. FEBS Letters, 580, Vilka kroppsegna substanser kan vara substrat för de studerade karbonylreduktaserna? 2. CR renades med kromatografi. Förklara bakgrunden till den använda metoden, hur den utförs och varför man får en separation. 3. Hur bestämdes att enzymet var homogent? Förklara bakgrunden till den använda metoden! 4. Vilket karbonylreduktas eller mutant skulle ge snabbast omsättning av menadion vid höga koncentrationer av detta, och vilken skulle ge långsammast omsättning vid mycket låga koncentrationer? Förklara! 5. Vilken aminosyra finns i position 235 i CR1 respektive CR2, och vilken effekt har skillnaden? Förklara utifrån strukturen på aminosyran. J. Gloerich, J.P.N. Ruiter, D.M. van den Brink, R. Ofman, S. Ferdinandusse, R.J.A. Wanders (2006): Peroxisomal trans-2-enoyl-coa reductase is involved in phytol degradation. FEBS Letters, 580, I vilka födoämnen finns phytol, och i vilket organ metaboliseras det huvudsakligen hos människa? 2. Rekombinant humant trans-2-enoyl-coa-reduktas framställdes som ett fusionsprotein med maltosbindande protein. Varför gjorde man detta fusionsprotein? Förklara! 3. Hur karakteriserades fusionsproteinet MBP-TER? Ange vilken metod som användes, hur analysen utförs och den fysikaliskt-kemiska bakgrunden till separationen. 4. Ur Fig. 2A har man beräknat Km för NADPH till 106 μm. Ungefär hur stort var Vmax (specifik aktivitet) under dessa betingelser? Hur får du fram det ur figuren? 5. Rita ett schema över hur phytol omvandlas till acetyl-coa och en citronsyracykelintermediär. Vilka reaktioner sker i peroxisomen och vilka i mitokondrien? 9

10 Seminarieuppgift 9: Integrering av intermediärmetabolismen (utgående från diabetes) Det finns flera olika typer av diabetes. Diabetes insipidus resp. mellitus. Diabets mellitus finns av två typer. Diabetes typ-1 debuterar ofta i tidiga tonåren. Vanliga debutsymtom är stora urinmängder, ökad törst och viktminskning. Ständigt drickande och många toalettbesök (även på natten) är typiskt. Andra symtom är trötthet, håglöshet och kramp i benen vid relativt liten fysisk ansträngning. Diabetes typ-1 är alltid insulinkrävande. Fetma är den vanligaste utlösande faktorn för diabetes typ-2. Ofta kan man få acceptabla blodvärden om man ändrar kosten, motionerar och använder perorala läkemedel. Vad analyserar man när man ställer diagnosen diabetes mellitus? Ange ett ungefärligt värde på normal blodsockernivå (med rätt sort) och vad man kan tänkas finna hos obehandlade diabetiker. Hur varierar normalt blodsockernivån över dygnet? Förklara debutsymtomen vid obehandlad diabetes typ-1(se texten ovan)! Vilka intermediärmetabola rubbningar uppkommer som följd av insulinbrist? Förklara hur de uppstår. Syra-basbalansen störs också vid obehandlad typ-1 diabetes. Varför? Vad är det för likheter och olikheter mellan svält och obehandlad diabetes typ-1? Diskutera de cellulära mekanismerna som kan orsaka "sena" komplikationer vid diabetes. Hur påverkas bildningen av sorbitol? Vilka organ påverkas framförallt? Hur kan man enkelt följa en patients blodsockernivå under en längre period? Hur förändras metabolismen i en diabetikers kropp när en insulinbehandling har påbörjats? There are several different types of diabetes, diabetes insipidus and mellitus, respectively. Diabetes mellitus exists in two types. Diabetes type-1 often shows up in early life. The first symptoms of diabetes are large amounts of urine, increased thirst and reduction in weight. Frequent drinking and many visits to the toilette (also during the night) are also typical. Additional symptoms are fatigue, indolence and convulsion in the legs also after minor physical effort. Diabetes type-1 always requires insulin. Fatness is the common releasing factor for diabetes type-2. Very often acceptable blood values are obtained after changing the diet, more exercise and the usage of specific drugs. What is analyzed in order to establish the diagnose diabetes mellitus? Specify the concentration for normal blood glucose (what unit?) and what concentration can be measured in diabetes. How does normal blood glucose fluctuate during twenty-four hours? Explain the first symptoms of untreated diabetes type-1 (see above). 10

11 Which metabolic disturbances originate from shortage of insulin? Explain how they arise. The balance between acid and base is also disturbed in untreated diabetes type-1. Why? What similarities and dissimilarities are observed between starvation and untreated diabetes type- 1? Discuss the cellular mechanisms that can course late complications in diabetes. How can the formation of sorbitol be influenced? Which organs are most affected? How can the level of blood glucose for a diabetic patient be followed during a longer period? How is the metabolism changed in the body of a diabetic patient when insulin treatment has been initiated? 11