Sluttentamen med svarsmallar Bke2/KE0003, 29:e Oktober 2003, Max poäng = 94 p. Preliminär gräns för godkänd = 50 p (53 %).

Transkript

1 Sluttentamen med svarsmallar Bke2/KE0003, 29:e Oktober 2003, Max poäng = 94 p. Preliminär gräns för godkänd = 50 p (53 %). 1. Utan biologiska membran skulle inget liv kunna existera. a) Beskriv med en enkel skiss uppbyggnaden av ett biologiskt membran. (1p) b) Ge två exempel på energialstrande processer där biologiska membran är av central betydelse. (1p) c) Vad kallas den drivande kraften som gör att membraner hålls ihop (och som gör att proteiner veckar sig) (1p)? Hur fungerar den (1p)? (4p) a) Membranfigur: Dubbellager, hydrofila huvuden utåt, hydrofoba svansar inåt (1p). b) Membranet har en central betydelse vid oxidativ fosforylering (0.5p) och vid fotosyntes (0.5p). c) Hydrofoba effekten (1p). Hydrofoba delar av t.ex. lipider eller proteiner klumpar ihop sig med varandra för att undgå kontakt med vatten (1p). 2. Proteinstruktur. a) Proteiners struktur kan beskrivas i fyra nivåer, primär, sekundär, tertiär och kvartenär. Förklara kortfattat vad som avses med respektive begrepp (4p). b) 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) (6p) 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 subenheterna sitter ihop i ett oligomert protein/proteinkomplex (1p). b) 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 (eller opolär/hydrofob) aminosyran är (1p). 3. Du tänker dig att rena proteinet P med hjälp av bl.a. jonbyteskromatografi. a) Du har som första steg i reningsproceduren fällt ut P med en 60 % lösning av ammoniumsulfat. Varför är det viktigt att först dialysera bort ammoniumsulfatet från P innan du laddar det på en jonbytare? (2p) b) Proteinet P visar sig binda till en positivt laddad jonbytare (anjonbytare) i en buffert som har ph 7.8. När du repeterar försöket några dagar senare tar du av misstag fel buffert och kör nu samma jonbytarkolonn vid ph 6.0 varvid det visar sig att ditt protein inte binder. Förklara varför. (Vad säger resultaten om egenskaperna hos proteinet P?) (2p) (4p) a) I jonbyteskromatografi binds normalt molekylerna till jonbytaren vid låg jonstyrka (1p). Om provet vid försökets start innehåller hög koncentration av andra joner konkurrerar dessa med tillgängliga ligander (1p). Resultatet blir att P inte binder till jonbytaren. Sidan 1 av 8

2 b) Vid ph 7.8 bör P ha en negativ nettoladdning då det binder till en positiv ligand. Proteiner som har en negativ nettoladdning befinner sig över sin isoelektriska punkt (1p). När ph sänks protoneras P och resultatet tyder på att proteinet antingen är oladdat eller positivt nettoladdat vid ph 6.0 (1p). P:s isoelektriska punkt bör alltså ligga mellan 6.0 och Hemoglobin. a) Vilken prostetisk grupp finns i hemoglobin? (0.5p) b) Syre binder till en metalljon i denna grupp. Vilken metalljon? (0.5p) c) Beskriv kortfattat vad positiv kooperativitet innebär, hur det uppkommer hos hemoglobin och vad mekanismen kallas. (2p) d) Myoglobin är mycket likt hemoglobin, men uppvisar inte positiv kooperativitet i binding av syre. Varför? (1p) e) Två histidiner utgör ligander till den prostetiska gruppen, metallen och syret. Histidin deltar också i katalytiska mekanismen hos många enzymer. Vilken egenskap hos histidin gör denna aminosyra särskilt lämpad för detta? (1p) f) Cytokrom C innehåller samma prostetiska grupp som hemoglobin och myoglobin, men kan inte binda syre. Varför? (1p) (6p) a) Hemoglobin har heme/hem/häm som prostetisk grupp (0.5p). b) Syret binder till en järnjon som sitter i heme-gruppen (0.5p). c) Positiv kooperativitet innebär att affiniteteten (bindningsstyrkan) för syre ökar med ökad koncentration av syre (0.5p). Hemoglobin består av fyra subenheter. De kan anta två olika former, en som binder syre starkt (R) och en som binder svagare (T). Bindingen mellan subenheterna styr dem att anta samma form. När syre binds till en av subenheterna så stabiliseras R-formen, även hos de andra subenheterna, så att de lättare binder syre (1p). Mekanismen kallas för allosteri (0.5p). d) Myoglobin består bara av en subenhet (1p). e) Histidin har normalt pka-värde mellan 6 och 7 och är därför bra på att uppta och avge protoner vid neutralt ph. (1p) f) I hemoglobin (och myoglobin) binder syret till en ledig ligandplats på järnet i heme-gruppen, men i Cytokrom C finns ingen plats för syrebindindning eftersom den upptas av en extra ligand till järnet, en metionin-sidokedja. (1p) 5. Enzyminhibitorer verkar genom att binda till enzymer och bromsa eller stoppa deras aktivitet. Genom enzymkinetiska mätningar kan man urskilja tre typer av reversibel inhibering: kompetitiv, okompetitiv (uncompetitive) och icke-kompetitiv (non-competitive). Skriv för var och en om inhibitorn binder till enzymet 1) bara när substrat inte är bundet, 2) bara när substrat är bundet, eller 3) både med och utan substrat bundet. Ange också vilken Lineweaver-Burk-plot A), B) eller C) nedan som hör ihop med respektive inhiberingstyp. (3p) A) B) C) Sidan 2 av 8

3 Kompetitiv: 1) Binder bara när substratet inte är bundet (0.5p). LB-plot B) är rätt (0.5 p). Vmax är samma, Km ökar med ökad inhibitorkoncentration. Okompetitiv: 2) Binder bara när substrat är bundet (0.5 p). LB-plot C) är rätt (0.5 p). Km och Vmax minskar lika mycket med ökad inhibitorkoncentration, så att kcat/km är konstant vilket ger samma lutning. Icke-kompetitiv: 3) Binder både med och utan substrat bundet (0.5p). LB-plot A) är rätt (0.5 p). Km är samma, Vmax minskar med ökad inhibitorkoncentration. 6. En del enzymer kräver ytterligare funktionella enheter än de aminosyror som ingår i polypeptidkedjan, s.k. co-faktorer. De kan vara Essentiella joner eller Co-enzymer. a) Ett co-enzym kan fungera som co-substrat eller prostetisk grupp. Vad är skillnaden? (1p) b) Ett viktigt co-enzym är NAD. Vad står förkortningen för? I vilken typ av reaktioner ingår detta co-enzym och vilken funktion har det i cellen? Är det ett co-substrat eller en prostetisk grupp? (2p) c) NADP är mycket likt och fungerar på samma sätt som NAD, men används av andra enzymer. I vilka metaboliska vägar används huvudsakligen NAD och i vilka används NADP? (1p) d) FAD och FMN deltar i liknande reaktioner och har liknande funktion som ovanstående. Skriv vad en av förkortningarna står för. Dessa co-enzymer har dock en förmåga som NAD/NADP saknar. Vilken? Brukar de fungera som co-substrat eller prostetisk grupp? (2p) e) Namnge ytterligare två co-enzymer, ett co-substrat och en prostetisk grupp. (1p) (7p) a) Ett co-substrat binder reversibelt och lämnar enzymet efter reaktionen (0.5p) och en ny molekyl kan komma i dess ställe. Co-substratet regenereas av ett annat enzym nån annanstans. En prostetisk grupp däremot sitter normalt bunden till enzymet hela tiden (0.5p) och måste regenereras på plats innan enzymet kan katalysera en ny reaktion. b) NAD står för Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid (0.5p). NAD + /NADH (och NADP + /NADPH) ingår i redox-reaktioner (oxidationer och reduktioner) och tar emot eller avger elektroner. Fungerar som elektronbärare och reduktionsmedel i cellen (1p). Är co-substrat (0.5p). c) NAD + /NADH används hvudsakligen i kataboliska (nedbrytande) vägar (0.5p), medan NADP + /NADPH mest används i anaboliska (uppbyggande) vägar (0.5p). d) Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD) eller Flavin-Mono-Nukleotid (FMN) (0.5p), en räcker). Ingår liksom NAD + /NADH i oxidationer och reduktioner och kan ta emot och avge två elektroner, men kan också ta emot och avge en elektron i taget (1p). Är prostetiska grupper (0.5p). e) Exempel på co-substrat: ATP, ADP, AMP, GTP, GDP, GMP, S-adenosyl-metionin, UDP-glucose, Coenzym A, Tetrahydrofolat, Ubiquinon/Q10 (0.5p). Prostetisk grupp: Tiamin-pyrofosfat/TPP, Pyridoxal-fosfat/PLP, Biotin, (Metyl-/Adenosyl-) cobolamin, Lipoamid (0.5p). Förkortningar är OK. 7. Enzymreglering. a) Fosfofruktokinas 1 (PFK-1) är ett enzym i glykolysen som katalyserar fosforyleringen av fruktos-1-fosfat till fruktos-1,6-bisfosfat. Varifrån kommer 6- fosfat-gruppen? (1p) b) Produkten från PFK-1, fruktos-1,6-bisfosfat, påverkar pyruvatkinas längre fram i glykolysen och får det att arbeta snabbare. Vad kallas det när ett enzym längre fram i en metabolisk väg aktiveras av produkten av ett tidigare steg? (1p) Sidan 3 av 8

4 c) PFK-1 aktiveras av bla. AMP och inhiberas av bl.a. citrat. Med vilken typ av regleringsmekanism? (1p) d) En annan reglermekanism används ofta vid hormonell kontroll, t.ex. för att styra nedbrytning och syntes av glykogen genom att enzymerna glykogen-syntas och glykogen-fosforylas sätts på eller stängs av. Vad kallas mekanismen och vad innebär den? (2p) e) En tredje mekanism som vi stött på kontrollerar aktiviteten hos serin-proteaserna från bukspottkörteln, trypsin, kymotrypsin och elastas, som används i matsmältningen. Vad kallas denna mekanism och hur fungerar den? (2p) f) Vilka steg i en metabolisk reaktionsväg brukar vara kontrollerade? (1p) (8p) a) Fosfatgruppen kommer från ATP. (1p) b) Feed-forward-aktivering. (1p) c) Allosterisk reglering. (1p) d) (Protein-)fosforylering (1p). Enzymet stängs av eller sätts på genom att en fosfatgrupp sätts på eller tas av från ett speciellt fosforyleringsställe på enzymet (1p). e) Proteolytisk aktivering (1p). Enzymet syntetiseras som ett inaktivt pro-enzym (zymogen), och aktiveras genom att en eller flera peptidbindingar i proteinet hydrolyseras av ett proteas (1p). f) Metaboliskt irreversibla steg brukar regleras, ofta energi-krävande (ATPförbrukande) steg. (1p) 8. Skelettmusklerna kan utnyttja ett flertal olika substrat för att utvinna energi för bla. muskelkontraktion. Hur mycket energi (i form av ATP) utvinns vid fullständig förbränning av 1 mol glukos respektive 1 mol ketonkroppar (acetoacetat)? Motivera svaret. (I citronsyracykeln bildas 3 NADH, 1 QH2-FADH2 och 1 GTP per varv). (6p) Glukos: 2 ATP och 2 NADH i glykolysen (1p), 2 NADH i PDH-komplexet (1p), 6 NADH, 2QH 2 -FADH 2, 2 GTP i citronsyracykeln (0.5p). Oxidativa fosforyleringen 2,5 ATP/NADH, 1,5 ATP/ QH 2 detta blir 32 mol ATP/ mol glukos (1p) (beroende på vilken transport skyttel som används ATP). Ketonkroppar: Acetoacetat klyvs till 2 Acetyl-CoA (1p). Två varv i citronsyracykeln medför att 6 NADH, 2 QH 2 och 2 GTP bildas (0.5p). Totalt via den oxidativa fosforyleringen (2,5 ATP/NADH, 1,5 ATP/ QH 2 ) bildas 20 mol ATP/mol acetoacetat. (1p) 9. Avidin är ett protein som binder extremt hårt till biotin. Avidin är därmed en mycket potent inhibitor för biotin-krävande enzymatiska reaktioner. Antag att det sker en biosyntes av glukos från följande substrat. a. Laktat b. Oxaloacetat c. Fumarat d. Fruktos 6-fosfat e. Fosfoenolpyruvat Vilken metabolisk syntesväg och substratanvändning skulle inhiberas? Motivera svaret. (3p) Glukoneogenes från lakatat (1p). Laktat omvandlas till pyruvat som sedan karboxyleras till oxalacetat (1p). Karboxyleringen katalyseras av pyruvatkarboxylas Sidan 4 av 8

5 som innehåller biotin (som prostetisk grupp (1p). Avidin binder till biotin vilket medför att för lite biotin finns tillgängligt för enzymkomplexet. 10. Rotenon är ett naturligt förekommande ämne som kan påträffas i vissa växter. Antimycin A är en toxisk antibiotika. Båda substanserna påverkar organismer mycket kraftigt och kan leda till döden. a) Vilken metabolisk väg är det som inhiberas av dessa två ämnen? (1p) b) Förklara varför rotenon kan vara dödligt. (2p) c) Förklara varför Antimycin A klassas som en giftig substans. (2p) d) Antag att rotenon och antimycin A är lika effektiva inhibitorer, vilken av de två substanserna skulle vara mest toxiskt? Förklara. (1p) (6p) a) Oxidativ fosforylering eller andningskedjan. (1p) b) Rotenon inhiberar enzymkoplexet NADH-reduktas i andningskedjan (1p) vilket medför att elektrontransportern via andningskedjan till syre är nedsatt och ATPproduktionen är reducerad (1p). Om inte tillräckligt med ATP produceras dör organismen. c) Antimycin A binder till komplex 3 (cytokrom c reduktas) (1p) i andningskedjan och blockerar därmed transporten av elektroner till syret med minskad ATP produktion till följd (1p). d) Eftersom Antimycin A blockerar all transport av elektroner till syret är antimycin A giftigare jämfört med rotenon som blockerar elektronflödet från NADH men inte från QH 2 /FADH 2. (1p) 11. Du har blivit erbjuden att hålla ett föredrag på en Institution om energimetabolismen hos enkelmagade djur eller människa. Du ombeds att lämna in ett abstract på högst en A-4 sida. För att kunna begränsa dig har du valt att endast berätta samspelet mellan organen lever, muskel och fettväv vid kortvarig svält. De metaboliska vägarna och de viktigaste intermediärerna anges, en förklarande bild kan accepteras (men inte för detaljerat) (10p) Vid partiell svält är prioritet ett att kunna hålla blodglukosnivån på en acceptabel nivå. Leverns glykogen bryts ner för att balansera blodglukosnivån. (1p) Muskelproteiner bryts ned och transporteras till levern för glukoneogenes. (1p) Muskeln utnyttjar muskelglykogen och muskelprotein för sin egen energi-metabolism. (1p) Skelettmusklerna producerar större mängd laktat som transproteras till levern för syntes av glukos. (1p) Lipolys av upplagrat fett (från fettdepåerna), glycerol spjälkas av. (1p) Glycerol transporteras till levern som syntetiserar glukos av glycerol. (1p) Fettsyrorna utnyttjas som energi (bränsle) i lever och skelettmuskel. (1p) Fettsyrorna oxideras via beta-oxidationen men oxalacetat nivån är låg i levern vilket medför att levern bildar ketonkroppar som exporteras ut i blodet (2p) Ketonkropparna används av bla. musklerna som bränsle. (1p) 12. En bekant till dig har läst i tidningen att det bästa sättet att gå ner i vikt är att enbart äta kolhydrater. Därför har han/hon ändrat sina kostvanor till att i större utsträckning äta fler mellanmål och mer konditorivaror. Effekten blev inte riktigt vad som var tänkt utan resulterade i att mer fett lagrades i fettcellerna, med viktökning som följd. Sidan 5 av 8

6 a) Förklara hur glukos kan tillgodose behovet av kolatomer som behövs för fettsyrasyntes. (2p) b) Hur kan acetyl-coa, som bildas i mitokondrierna transporteras ut i cytosolen? (1p) c) Fettyrasyntesen är en reduktiv process som kräver stora mängder av reducerande ekvivalenter (NADPH). Varifrån erhålls dessa? (2p) (5p) a) Det antal kolatomer som behövs för syntes av fettsyror erhålls genom att glukos bryts ned till pyruvat via glykolysen (1p) och vidare till mitokondriellt acetyl-coa (1p). b) Mitokondriellt acetyl-coa transporteras ut till cytosolen som citrat (1p). c) NADPH erhålls från pentosfosfat-shunten och från citrattransport-systemet då malat omvandlas till pyruvat via malat-enzymet (2p). 13. Fotosyntes. a) I växter fixeras luftens koldioxid i ribulos-1,5-bisfosfat i första steget i Calvincykeln. Produkten i denna reaktion, 3-fosfoglycerat, omvandlas sedan i en ATPberoende reaktion till 1,3-bisfosfoglycerat som sedan reduceras med hjälp av NADPH till glyceraldehyd-3-fosfat (som tillsammans med dihydroxyacetonfosfat går under benämningen triosfosfat). Varifrån kommer de ATP och NADPH som behövs i dessa reaktioner? (1p) b) Vad händer vidare med glyceraldehyd-3-fosfat (i och utanför Calvin-cykeln)? (4p) c) Från vilket ämne tas elektroner till den icke-cykliska elektrontransporten i ljusreaktionen och vilket ämne är den slutliga elektron-mottagaren? (2p) d) Vilken är den huvudsakliga funktionen för cyclisk elektrontransport i fotosyntesen, d.v.s. vilken metabolit produceras? (1p) e) Förklara hur den cykliska elektrontransporten fungerar, dvs. vilken väg elektronerna flödar och vad det ger upphov till. (3p) (11p) a) ATP och NADPH kommer ifrån fotosyntesens ljusreaktion. (1p) b) Den största delen glyceraldehyd-3-fosfat används för att (i) återbilda/regnerera ribulos-1,5-bisfosfat (1p) för vidare användning i Calvin-cykeln. Nettoöverskottet som bildas används för syntes av hexoser (1p), dels (ii) direkt i stroma hos kloroplasten där det ombildas till hexos (glukos-1-fosfat) och sen stärkelse för korttidslagring (0.5p). (iii) En del glyceraldehyd-3-fosfat transporteras ut till cytosolen (0.5p) där det omvandlas till hexoser (glukos-1-fosfat, och fruktos-6-fosfat) och sen sukros för vidare transport i växten (0.5p). Förutom som energikälla så används en betydande del av kolhydraterna för syntes av cellulosa (via glukos-1-fosfat) för uppbyggnad av cellväggen (0.5p). c) Elektronerna tas från vatten (1p) och lämnas till NADP + (1p). d) Cyklisk elektrontransport leder till syntes av ATP (1p) utan samtidig reducering av NADPH. e) I cyklisk elektrontransport förs elektroner från ferredoxin till plasoquinonpoolen, vidare till cytokrom b/f-komplexet, till fotosystem I och tillbaka till ferredoxin (0.5p för varje komponent som identifieras, max 2p). Detta driver en protonpump/ger upphov till protongradient (1p), som i sin tur driver ATP-syntes. 14. I litteraturen finns beskrivet tre former av DNA, A, B och Z-DNA. Den vanliga formen anses vara B-DNA. a) Längs helixen av den vanliga DNA-formen bildas två tydliga "diken". Vad kallas dessa på engelska? (1p) Sidan 6 av 8

7 b) Vilket av A, B och Z-DNA vrider sig åt motsatt håll relativt de andra två? (0.5p) c) Åt vilket håll är den vanliga vridningen på DNA, höger eller vänster? (0.5p) d) Varför antar inte dubbelsträngat RNA den vanligare B-formen utan mer formen för A-DNA? (1p) (3p) a) Minor groove (0,5p) och major groove (0,5p) b) Z-DNA (0,5p) c) Höger (0,5p) d) Ribosen har en hydroxylgrupp bundet till 2'-kolet, deoxyribosen har bara ett väte på den positionen. Det extra syret gör att RNA av B-form inte kan bildas, d v s steriskt hinder. (1p) 15. Hur vet ett bakteriellt RNA-polymeras var det skall börja transkriptionen av ett nytt RNA? (2p) Sigmafaktorn känner igen och binder till promotorsekvensen uppströms om genen (1p). RNA-polymeraset i sin tur binder till sigmafaktorn (1p). 16. Antag att nedanstående DNA-sekvens transkriberas till RNA. Rita ut RNA sekvensen och markera 5 och 3 ändar. Antag att translationen av RNAt sker vid första start kodonet markera dessa nukleotider. 5 A A C A T G G C G C T G C A T G 3 3 T T G T A C C G C G A C G T A C 5 (4p) RNA (kopia av 5-3 strängen). Två olika möjligheter båda rätt. T byts mot U. 1p för sekvensen. 1p för U istället för T. 1p för 5 och 3 på rätt ställe. 1p för AUG. 5 AACAUGGCGCUGCAUG 3 eller 5 CAUGCAGCGCCAUGUU Markera för varje påstående om det är sant eller falskt: a) Ett kodon (codon) kodar oftast för samma aminosyra i både bakterier och människa. b) Ribosomen är uppbyggd av proteiner och RNA. c) mrna i bakterier är uppbyggt av exoner och introner. d) Vid replikationen syntetiseras den nya strängen i 5-3 orientering. e) Vid transkription syntetiseras RNA i 3-5 orientering. f) Translationen av ett normalt protein avslutas genom att ribosomen kommer fram till sista nukleotiden av mrna molekylen och därför faller av. g) Varje kodon består av 4 nukleotider som avläses till en specifik aminosyra. h) DNA är totalt ointressant, har ingen betydelse för cellens funktion utan är enbart något som möjligtvis kan intressera Arkiv X-freaks. (4p) a) sant, b) sant, c) falskt exoner och introner finns bara i eukaryot RNA, d) sant, e) falskt, f) falskt - ribosomen faller av när den når ett stoppkodon i mrna, g) falskt 3 nukleotider, h) otroligt falskt! 0.5p för varje korrekt svar. Sidan 7 av 8

8 18. En gen, Mon, har skickats till dig. Genen har "sticky ends" där 5 -änden har ett GATC-överhäng och 3 -änden ett TTAA-överhäng. Du har blivit ombedd att ligera in genen i plasmiden pbmn-z. Beskrivning av genen, plasmiden och restriktionsenzym finns beskrivna nedan. Beskriv momenten du måste utföra för att ligera in genen Mon till plasmiden pbmn-z. Du behöver ej redogöra för efterföljande steg (transformation etc.) Mon (2p) Plasmiden pbmn-z klipps upp med restriktionsenzymerna; BamHI (0.5 p) resp. EcoRI (0.5 p). Därefter ligeras pbmn-z och genen (Mon) samman med hjälp av enzymet (DNA) ligas (1 p). Sidan 8 av 8