Sluttentamen med svarsmallar Bke2/KE0003, 28:e Oktober 2004, Max poäng = 89 p. Preliminär gräns för godkänd = 48 p (54 %).

Transkript

1 Sluttentamen med svarsmallar Bke2/KE0003, 28:e Oktober 2004, Max poäng = 89 p. Preliminär gräns för godkänd = 48 p (54 %). 1. a) Markera polära och icke-polära delar i nedanstående molekyl. Vilken typ av ämne är det, och vad heter molekylen? (2p) b) Arrangera molekylerna nedan så att de vätebinder med maximalt antal vätebindningar. Vilken typ av molekyler är detta? Vätebinding mellan bl.a. de här två molekylerna är grundläggande för hur en mycket viktig biomolekyl fungerar. Vilken molekyl, och varför? (4p) HN CH 3 R R (6 p) a) Amino-, karboxyl- och guanidogrupperna är polära. Kolkedjan är apolär (1p). Molekylen är aminosyran (0.5p) arginin (0.5p). b) Vätebindningar -NH 2 O= och =N HN< (1p). De två molekylerna är nukleinsyrabaser (1p), närmare bestämt Adenin och Tymin. Bygger upp DNA (och RNA)(1p). Håller ihop dubbelspiralens strängar genom basparning (1p). N a) polär b) COO- +H 3 N C H NH C NH 2 + NH 2 COO- +H 3 N C H NH opolär C NH 2 + NH 2 N NH 2 N N R N Adenosin O CH 3 HN N O R Tymidin polär Sidan 1 av 8

2 2. Tre viktiga grupper av biomolekyler är polymerer: proteiner, nukleinsyror och kolhydratpolymerer. Ange i en tabell vilka slags monomerer de är uppbyggda av (1.5 p), och deras huvudsakliga användning(ar) i cellen (3p). Ange också för varje polymer om den är en viktig energikälla i födan (1.5p). Polymer Monomer Användning 1p om det understrukna nämns. Om det saknas men andra viktiga funktioner nämns ges 0.5 p Kolhydr at Protein Monosackarider (0.5p) Nukleinsyror Aminosyror (0.5p) Nukleotider (0.5p) Energilagring (1p) eller struktur, signalering, etc (0.5p) Enzym-katalys (1p) eller struktur, reglering, signalering etc. (0.5p) Genetisk information (1p), katalys, translation etc (6 p) Energikälla Poäng Ja (0.5p) 2 Ja (0.5p) 2 Nej (0.5p) 2 3. Proteinstruktur. a) Proteiners struktur kan beskrivas i fyra nivåer, primär, sekundär, tertiär och kvartenär. Förklara vad som avses med respektive begrepp (4p). b) Förklara varför ett proteins polypeptidkedja brukar vecka ihop sig till en kompakt globulär struktur. Vad kallas den drivande kraften? (2p) c) Ge exempel på en aminosyra som oftast är gömd inuti proteinet och en annan som oftast förekommer på utsidan. Vilken egenskap är viktigast för var en viss aminosyra brukar förekomma? (2p) (8 p) a) Primärstruktur är aminosyrasekvensen (1p). Sekundärstruktur bildas när avsnitt av polypeptidkedjan veckar ihop sig med regelbundna vätebindingar i sekundärstrukturelementen alfa-helix, beta-sträng, beta-böj (1p). Tertiärstruktur beskriver hela polypeptidkedjans veckning, hur sekundärstruktur-element och sidokedjor är packade (1p). Kvartenärstruktur beskriver hur olika subenheter sitter ihop i ett oligomert protein/proteinkomplex (1p). b) Genom att veckas ihop blir kontakten mellan vatten och hydrofoba delar av polypeptiden så liten som möjligt (1p). Det är den sk. hydrofoba effekten som driver veckningen (1p). c) Inuti hittar man t.ex. Trp, Tyr, Phe, Leu, Ile, Val, Ala, Met, Cys (0.5p); utanpå ofta Arg, Lys, Asp, Glu, Ser, Thr, Asn, Gln (0.5p). Det som avgör är hur polär (hydrofil) aminosyran är (1p). 4. Förklara varför hemoglobin men inte myoglobin binder syre med positiv kooperativitet. (4 p) Hemoglobin består av fyra (nästan likadana) subenheter. Varje subenhet kan ha en av två (huvud)konformationer, en som binder syre starkt och en som binder syre svagt. De två konformationerna skiljer sig bl.a. i kontaktytan mellan subenheterna och genom att järnatomen ligger olika i förhållande till hemegruppen. Subenheterna i hemoglobintetrameren "kommunicerar" med varandra. De passar bäst ihop när alla Sidan 2 av 8

3 fyra subeneheter har samma konformation. Därför växlar hela tetrameren mellan två huvudformer (T <==> R). När syre binder till en subenhet stabiliseras den starkt bindande konformationen. Det gör att hela tetrameren tenderar att övergå till denna konformation och binding av ytterligare syremolekyler underlättas. Myoglobin binder inte syre kooperativt eftersom molekylen består av en enda subenhet och det alltså bara finns ett syre-bindingsställe per proteinmolekyl. (4p) 5. Du är intresserad av att renframställa ett glukosbindande protein, GBP, men provet som du får av en kollega på laboratoriet är kontaminerat av serumalbumin och urokinas. I tabellen nedan kan du se en sammanfattning av några viktiga egenskaper hos de aktuella proteinerna. Uppgiften är att med så få reningssteg som möjligt konstruera ett möjligt reningsprotokoll för GBP. Beskriv kortfattat hur du praktiskt kan gå till väga för att åstadkomma detta. Du har fri tillgång till olika tänkbara kromatografiska material, buffertar och tomma kolonner. Protein Molekylvik t (kda) Isoelektrisk punkt Annan känd egenskap Serumalbumin _ GBP Binder reversibelt (Glukosbindande protein) till glukos Urokinas _ Teoretiskt borde det vara möjligt att rena GBP från denna blandning i ett enda steg och den enklaste lösningen är att använda sig av GBP:s glukosbindande egenskaper och göra affinitetskromatografi (1p). Använd ett kromatografiskt material med glukos bundet som aktiv ligand. Packa en kolonn med detta material i lämplig buffert och ph (t.ex. tris- eller fosfatbuffert vid ph 7-8). Tillsätt provet och låt obundet material passera igenom (serumalbumin och urokinas bör inte binda till glukos). Därefter kan bundet GBP elueras t.ex. med hjälp av tillsats av fri glukos. GBP binder den fria glukosen och släpper från kolonnen. Alternativa metoder för eluering av GBP kan eventuellt också vara ph- eller jonstyrkeförändring. (3 p) 6. Enzymet E som följer Michaelis-Menten-kinetik har K m 1 µm. Initiala reaktionshastigheten v 0 är 0.1 µm/min vid en substratkoncentration på 10 mm och enzymkoncentrationen [E] tot 0.1 nm. Vad blir den initiala hastigheten v 0 a) om vi dubblar substratkoncentrationen vid samma enzymkoncentration, [S] = 20 mm? (1p) b) om [S] är lika med 1 µm vid samma enzymkoncentration? (1p) c) om vi istället dubblar enzymkoncentrationen vid samma substratkoncentration, [S] = 10 mm, [E] tot = 0.2 nm? (1p) d) Hur påverkar enzymets K m respektive k cat förhållandet mellan koncentrationerna av substrat och produkt vid jämvikt? (1p) Sidan 3 av 8

4 (4 p) När substratkoncentrationen är 10 mm så är den mycket högre än Km, och då är v 0 nära Vmax. ([S] = 10 mm, [S] >> K m, => v 0 = Vmax = 0.1 µm/min) a) 0.1 µm/min. För varje substratkoncentration större än 10 mm gäller fortfarande att v 0 = Vmax = 0.1 µm/min (1p) b) 0.05 µm/min. När [S] = K m gäller att v 0 = Vmax/2, eller 0.05 µm/min (1p) c) 0.2 µm/min. Hastigheten är proportionell mot enzymkoncentrationen. Dubbelt så hög enzymkoncentration ger dubbel hastighet. (1p) d) Inte alls (1p). Förhållandet mellan koncentrationerna av substrat och produkt vid jämvikt bestäms av den termodynamiska skillnaden i fri energi mellan substrat och produkt, medan K m och k cat är uttryck för förhållanden mellan hastighetskonstanter. 7. Enzymatiska processer är reglerade för att de ska ske vid rätt tid och på rätt plats. Genom kontroll av genuttryck, dvs hur ofta en gen läses, bestäms hur många molekyler som ska bildas av ett visst enzym. Dessutom kan aktiviteten hos enskilda enzymmolekyler regleras med olika mekanismer. De tre viktigaste är: a) Alloster reglering; b) Protein-fosforylering; c) Proteolytisk aktivering. Beskriv kortfattat hur de fungerar och ange för var och en om den är reversibel eller irreversibel. d) Vilka steg i en metabolisk väg brukar vara reglerade? (5 p) a) Alloster reglering. Den reglerande molekylen binder på särskild regulatorisk plats i enzymet och påverkar aktiviteten genom konformationsförändringar i aktiva ytan (1p). Oftast oligomera proteiner. Reversibel (0.5p). b) Fosforylering. Genom att sätta på (kinaser) och plocka bort (fosfataser) fosfatgrupper kan enzymets aktivitet påverkas (1p). Reversibel (0.5p). c) Proteolytisk aktivering. Enzymet syntetiseras som ett inaktivt proenzym (zymogen) och blir aktivt först när en del av peptidkedjan hydrolyserats/klyvts av ett proteas/peptidas (1p). Irreversibel (0.5p). d) Metaboliskt irreversibla steg brukar regleras, dvs reaktioner som frigör mycket energi. Ofta är det energikrävande (ATP-förbrukande) steg. (0.5p) 8. Idisslarnas substrat för fettsyrasyntes är acetat som bildats i vomen. a) Vad är ursprungssubstratet för bildandet av fettsyror hos enkelmagade djur (ex.vis gris) (1p). b) Beskriv kortfattat med biokemiska termer, rita gärna figur, hur detta sker. Namnge intermediärerna (inga strukturformeler behöver anges) och rita endast schematiska vägar. (6p) (7 p) a) Glukos (alternativt aminosyror) (1p) b) Glukos oxideras via glykolysen till pyruvat (alternativt:aminosyror transamineras till pyruvat) (1p). Pyruvat omvandlas till acetyl-coa som kondenserar Sidan 4 av 8

5 med oxalacetat och bildar citrat. (2p). Citrat transporteras ut ur mitokondrien och klyvs till oxaloacetat och acetyl-coa (1p). Fettsyra-syntesen startar med en karboxylering av acetyl-coa till malonyl-coa (1p). Därefter sker en stegvis förlängning av fettsyrorna med 2 kol i taget (katalyseras av fettsyra-syntas) (1p). 9. Vilket av påståendena är rätt förklaring till varför muskelglykogen inte är tillgängligt för balansering av koncentrationen av blodglukos? (1p) a) Det finns inte tillräckligt med glykogen i musklerna för att balansera blodglukos koncentrationen. b) Muskeln saknar glykogenolytiska enzym som behövs för att regaera på hormonet glukagon. c) Muskeln saknar glukagonreceptorer, därför kan den inte påverka blodglukoskoncentrationen. d) Muskeln saknar glukos-6-fosfatas-aktivitet, så muskeln kan inte bilda fritt glukos från glykogen. e) Muskel glukostransportören GLUT-4 är inte internaliserad när koncentrationen av insulin är låg i blodet. (1 p) Svar: d 10. Du har fått jobb som produktutvecklare på ett företag som arbetar med mervärdesmat (functional food). Det har framkommit att det i växten Trifolium pratense finns substanser som minskar risken för att kvinnor skall drabbas av benskörhet. Men det finns även misstankar om att den substansen även inhiberar andningskedjan. Eftersom du har goda biokemiska kunskaper faller det på din lott att ta reda på om och var denna substans inhiberar andningskedjan. Du har tillgång till motsvarande laboratorie-utrustning som du använt på biokemikursen Hur går du tillväga för att bestämma var någonstans i andningskedjan som substansen blockerar? Ange vilken utrustning och de viktigaste kemikalerna etc. som du använder. (9 p) Till en suspensionen innehållande mitokondrier (1p), buffert, substrat (glutatmat (NADH) (1p) och ADP (eller ADP-genererande system) (1p) tillsätts extraktet. Förändring i syrgaskonsumtion registreras (1p). Om inhibering sker tillsätts nästa substrat (Succinat (FADH2)(1p) om inhibering sker tillsätts askorbat/tmpd (1p). Om syrgaskonsumtionen ökat efter tillsatts av succinat sker inhiberingen mellan Komplex 1 och 2. (1p) Om andningen kommer igång efter tillsatts av askorbat/tmpd sker inhibering mellan komplex 3 och 4. (1p) Om ingen ökning av syrgas-konsumtionen sker inhiberas överföringen av elektroner från komplex 4 till O2. (1p) 11. Vid ansträngande muskelaktivitet behöver vävnaden en omfattande kvantitet av ATP jämfört med muskel i vila. I exempelvis lårmuskeln hos gnagare produceras ATP Sidan 5 av 8

6 nästan uteslutande genom att det samtidigt bildas laktat (mjölksyra). ATP produceras av glykolysen genom två enzymatiska reaktioner katalyserade av enzymerna fosfoglyceratkinas och pyruvatkinas. Antag att skelettmuskeln saknar enzymet laktatdehydrogenas. Kan då muskeln utföra ett ansträngande fysiskt arbete och genereras det tillräckligt med ATP i glykolysen? Förklara! (5 p) Nej! Muskeln kan inte utföra ett anstängande arbete. (1p) NADH omvandlas till NAD + när pyruvat reduceras till laktat (1p). NAD + används i reaktionen som omvandlar glyceraldehyd-3-fosfat till 1,3-bisfosfoglycerat (1p). Om laktatdehydrogenas inte finns eller är inaktivt kan inte NAD + regenereras och glykolysen stannar (1p). Någon produktion av ATP är inte möjlig under anaeroba förhållanden om aktiviten av laktadehydrogenas är för låg (1p). 12. Aspartat-aminotransferas har den högsta aktiviteten av alla aminotransferaser i levern hos de flesta landlevande däggdjur. Förklara varför och namnge de intermediärer som medverkar i transamineringen.(3p) (3 p) I ureacykeln överförs den andra aminogruppen från aspartat (1p). Aspartat genereras genom transaminering där kvävet från glutamat överförs till oxaloacetat vilket ger aspartat och alfa-ketoglutarat. (2p) Detta medför att 50 % av allt kväve som utsöndras som urea kommer från aspartat med hjälp av aspartat-aminotransferas. 13. Vid en svältsituation kan kroppen, trots att ingen glukos tillförs via födan, hålla en stabil blodglukos-nivå. a) Vilken biokemisk reaktionsväg är det som är aktiverad och vilket hormon aktiverar (sätter igång) syntesen av glukos? (2p) b) Nämn 4 olika substrat som levercellen kan använda för syntes av glukos. (2p) a) Glukoneogenesen och Glukagon (2p) b) Laktat, glukogena aminosyror, glycerol, glycogen (2p) (4 p) 14. Fotosyntes. a) Illustrera med en skiss huvudkomponenterna i fotosyntesens ljusreaktion, hur de är organiserade i membranet och vilken väg elektroner går vid icke-cyklisk elektrontransport (5p). b) Var sker fotosyntesens ljusreaktion hos växter? (1p) c) Vad heter det viktigaste ljusinfångande ämnet hos växter? (1p) d) Från vilket ämne tas elektronerna till elektrontransporten? (1p) e) Vilket ämne är den slutliga elektron-mottagaren? (1p) (9 p) Sidan 6 av 8

7 a) I figuren ska finnas fotosystem II (PS II, P680) (1p), cytokrom bf-komplex (1p) och fotosystem I (PS I, P700) (1p). Max 2p till för: antennkomplex eller LHC (light harvesting complex) (0.5p), syre-genererande komplex eller Z (0.5p), plastokinonpool (0.5p), plastocyanin (0.5p), ferredoxin (0.5p), ATP-syntas (0.5p), ferredoxin- NADP-oxidoreduktas (0.5p). b) Fotosyntesen sker i kloroplasternas tylakoidmembran (1p). c) Klorofyll (1p). d) Elektronerna i elektronstransporten tas från vatten (1p). e) NADP + är slutlig mottagare av elektronerna (1p). 15. Båda DNA-strängarna måste kopieras vid DNA-replikationen och för detta behövs ett antal olika enzymer. Beskriv funktionerna hos DNA polymeras I, DNA polymeras III och Primas vid DNA-replikation. Kom ihåg att ett enzym kan ha flera funktioner. Glöm inte att nämna om enzymen är inblandade i syntesen av lagging, leading eller båda DNA-strängarna. Illustrera gärna med bild. (5 p) DNA polymeras I har 5-3 polymerasaktivitet (0.5p) och är involverad i laggingstrand syntes (0.5p). Dessutom har polymeraset 5-3 exonukleasaktivitet (0.5p) som bryter ner RNA-primern i början på framförvarande Okazakifragment och även 3-5 exonukleasaktivitet (proof reading) (0.5p). DNA polymeras III är ett 5-3 polymeras (0.5p) som syntetiserar leading strand (0.5p). Dessutom har det 3-5 exonukleas aktivitet för proof reading (0.5p) Primaset syntetiserar korta RNA-primrar (0.5p) så att både leading (0.5p) och lagging (0.5p) strängarna skall kunna syntetiseras. 16. Markera för varje påstående om det är sant eller falskt: a) trna är molekylen som för med sig rätt aminosyra till rätt kodon. SANT! b) Polyadenylering, cap-struktur och splicing är begrepp/processer viktiga för bakteriers mrna. FALSKT! Sidan 7 av 8

8 c) Translationen terminerar (avslutas) när ribosomen når fram till ett stoppkodon som känns igen av ett terminator-trna. FALSKT! d) I bakterier är sigmafaktorer viktiga för att rätt gen skall transkriberas (uttryckas) vid rätt tillfälle. SANT! e) Ett operon består av en promotor och flera gener. SANT! (2.5 p) SANT = A, D, E FALSKT = B, C 17. Uttrycket av generna i lac-operonet regleras beroende på vilken typ av kolkälla som bakterien för tillfället har tillgång till. Beskriv hur regleringen går till när cellen börjar utnyttja laktos (beskriv den negativa kontrollen). (1.5 p) Allolaktos/laktos (0.5p) binder till repressorn/laci (0.5p) och hindrar den därigenom att binda till operatorn på lac-operonet (0.5p) och generna kan transkriberas. 18. I bakterier börjar translationen av mrna vid startkodonet (AUG). Det kan dock finnas AUG-kodon både före och efter startkodonet. Hur vet ribosomen vid vilket AUG den skall börja translationen? (2 p) Framför startkodonet i mrna (0.5) finns en speciell nukleotidsekvens (Shine&Dalgarno) (0.5p). I ribosomen (lilla subenheten) finns ett RNA (0.5p) som innehåller en sekvens som är komplementär/kan baspara med Shine&Dalgarnosekvensen (0.5p) och därmed placeras ribosomen vid rätt AUG, dvs startkodonet. 19. Du har beslutat dig för att klona en gen och vill därför ligera in genen i en plasmid. Plasmiden (vektorn) innehåller genen för ampicillinresistens och dessutom genen för ß-galaktosidas (lacz). I lacz finns ett restriktionssite i vilket du försöker ligera in din gen. Du transformerar in ligeringarna i E. coli-bakterier. Det förväntade resultatet är a) bakterier med plasmid men utan din gen (självligerad vektor), b) bakterier som ej innehåller någon plasmid och c) plasmid som innehåller din gen. Genom att sprida ut de transformerade cellerna på plattor kan du särskilja på a), b) och c). Hur gör du? (4 p) Transformationerna sprids på plattor som innehåller antibiotika (t.ex. ampicillin) celler utan plasmid dör (1p) men celler innehållande plasmider med genen för ampicillinresistens växer (1p). Du vet fortfarande inte vilka bakterier/kolonier som innehåller plasmider där din gen ligerats in. Du kan nu utnyttja blue-white screening genom att X-gal har tillsatts till plattorna. Blåa kolonier innbär att du har självligerade plasmider, dvs lacz-genen är intakt, ß-galaktosidas kan bildas som omvandlar X-gal till ett blått färgämne (1p) Vita kolonier innebär att din gen har ligerats in i lacz-genen som därmed inaktiverats (1p). Det är alltså vita kolonier du vill ha. Sidan 8 av 8