1. a) Markera polära och icke-polära delar i nedanstående molekyl. Vilken typ av ämne är det, och vad heter molekylen? (2p)

Transkript

1 Tentamen med svarsmallar Biokemi BI0968, 8:e jan 2009, Max poäng = 100 p. Slutliga gränser: 3 = 50%; 4 = 70%; 5 = 82%. 1. a) Markera polära och icke-polära delar i nedanstående molekyl. Vilken typ av ämne är det, och vad heter molekylen? (2p) COO- +H 3 N C H NH C NH 2 + NH 2 b) Arrangera molekylerna nedan så att de vätebinder med maximalt antal vätebindningar. Vätebinding mellan bl.a. de här två molekylerna är grundläggande för hur en mycket viktig biomolekyl fungerar. Vilken molekyl, och varför? (2p) HN CH 3 R R a) Amino-, karboxyl- och guanidogrupperna är polära. Kolkedjan är opolär (1p). Molekylen är en aminosyra (0.5p), närmare bestämt arginin (0.5p). b) Vätebindningar -NH 2 O= och N HN< (1p). Bygger upp DNA (0.5p) och håller ihop dubbelspiralens strängar genom basparning (0.5p). Molekylerna är nukleinsyrabaserna Adenin och Tymin. N b) polär c) COO- +H 3 N C H N NH 2 O CH 3 NH opolär C NH 2 + NH 2 R N N N Adenosin HN N O R Tymidin polär 2. a) Rita upp den generella formeln för en dipeptid vid fysiologiskt ph. Sidokedjorna behöver inte ritas, utan kan markeras som R1 och R2. Rita atomer bindningar och ev. Sidan 1 av 1

2 laddningar. Markera N- och C-terminal, phi, psi, peptidbindning och visa vilka bindningar som kan rotera. (4p) b) Proteiners struktur kan beskrivas i fyra nivåer: primär, sekundär, tertiär och kvartenär. Förklara vad som avses med respektive begrepp. (4p) (8 p) Peptidbindning - kan inte rotera N-terminal Roterbara bindningar R1 R2 O + α α H 3 N C C N C φ H ψ H φ H ψ φ = Phi-vinkel ψ = Psi-vinkel C O O C-terminal a) Totalt 4 p (1p för rätt formel, 1p för laddningar, 1p för rätt bindningar, 0.5p för roterbara, 0.5p för N- och C-terminal) b) 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). 3. Utan biologiska membran skulle inget liv kunna existera. a) Rita den kemiska strukturformeln för en fosfolipid. (2.5p) 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) (0.5p)? Hur fungerar den (1p)? (5 p) a) Lipidfigur: Glycerol (0.5p) med esterbindningar (0.5p) till fettsyror (R1, R2) på två hydroxyler (0.5p) och fosfat på den tredje (0.5p) som i sin tur har en polär grupp bunden (etanolamin, serin, kolin) (0.5p). b) Membranet har en central betydelse vid oxidativ fosforylering (0.5p) och vid fotosyntes (0.5p). c) Hydrofoba effekten (0.5p). Hydrofoba delar av t.ex. lipider eller proteiner klumpar ihop sig med varandra för att undgå kontakt med vatten (1p). 4. Du har en blandning av proteinerna A, B och C som du vill separera och studera. Tabellen nedan ger dig viss information om molekylerna. Sidan 2 av 2

3 Protein Nativ Molekylvikt Övrig information (Dalton) A B Binder glukos C a) I vilken ordning kommer A, B och C att eluera (komma ut) från en gelfiltreringskolonn? Varför? (2p) b) Föreslå en alternativ metod att med utgångspunkt från ovanstående information separera B från de övriga proteinerna? Ge en kort beskrivning av tillvägagångssättet. (2p) c) Vid analys på SDS-PAGE (SDS-Polyakrylamidgelelektrofores) får man följande resultat (banden motsvarar proteiner). Vilken ytterligare information ger det om proteinerna A, B och C? Motivera svaret! (2p) Molekylvikt (kda) Markör A B C a) Proteinerna eluerar i ordningen B, A, C (1p) då gelfiltrering är en metod som separerar m.a.p storlek. Stora molekyler vandrar snabbare än små. (1p) b) Använd det faktum att B kan binda glukos. Tillverka en affinitetskolonn med glukos som ligand (1p). Använd denna för att binda B. A och C bör inte binda och kan således separeras bort. B kan sedan elueras med t.ex. fri glukos, ph-förändring e.dyl (1p). c) SDS-PAGE:n som ger proteinernas molekylvikt efter denaturering antyder att A och C är monomerer då de har ungefär samma molekylvikter i sina nativa respektive denaturerade former. B är troligen en dimer bestående av en mindre (40K) och en större (80K) subenhet ( K =120 K). (2p) 5. 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. (3 p) d) Myoglobin är mycket likt hemoglobin, men uppvisar inte positiv kooperativitet i binding av syre. Varför? (1p) Sidan 3 av 3

4 (5 p) 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 (1p). 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 (1p). d) Myoglobin består bara av en subenhet (1p). 6. Enzymet E som följer Michaelis-Menten-kinetik har K m = 40 µm (mikromolar). Initiala reaktionshastigheten v 0 är 10 µm/min (mikromolar/minut) vid en substratkoncentration på 20 mm (millimolar) och enzymkoncentrationen [E] tot 2 nm (nanomolar). Vad blir den initiala hastigheten v 0 a) om vi dubblar substratkoncentrationen vid samma enzymkoncentration, [S] = 40 mm (millimolar)? (1p) b) om substratkoncentrationen [S] är 40 µm (mikromolar) vid samma enzymkoncentration? (1p) c) om substratkoncentrationen [S] är 10 µm (mikromolar) vid samma enzymkoncentration? (1p) d) om vi istället dubblar enzymkoncentrationen vid samma substratkoncentration, ([S] = 20 mm, [E] tot = 4 nm)? (1p) När [S] = 20 mm gäller [S] >> K m (substratkonc är mycket större än K m ), och alltså är v 0 Vmax = 10 µm/min a) v 0 = 10 µm/min (1p). För varje substratkoncentration större än 20 mm gäller fortfarande att v 0 Vmax = 10 µm/min. b) v 0 = 5 µm/min (1p). När [S] = K m gäller att v 0 = Vmax/2, dvs. 5 µm/min. c) v 0 = 2 µm/min (1p). Eftersom K m och V max är kända, kan Michaelis-Menten ekvationen användas för att beräkna v 0 vid varje substratkoncentration: v 0 = V max [S] / ( K m + [S] ). För [S] = 10 µm gäller: v 0 = (10 µm/min) (10 µm) / (40 µm + 10 µm) = 100/50 µm/min = 2 µm/min. d) v 0 = 20 µm/min (1p). Hastigheten är proportionell mot enzymkoncentrationen. Dubbelt så hög enzymkoncentration ger dubbel hastighet. 7. Enzymreglering. a) Fosfofruktokinas 1 (PFK-1) är ett enzym i glykolysen som katalyserar fosforyleringen av fruktos-6-fosfat till fruktos-1,6-bisfosfat. Varifrån kommer 1- fosfat-gruppen? (1p) b) PFK-1 aktiveras av bl.a. AMP och inhiberas av bl.a. citrat. Med vilken typ av regleringsmekanism? (1p) Sidan 4 av 4

5 c) Vad kallas det när ett enzym inhiberas av en produkt från ett senare steg i en reaktionsväg? (1p) d) Förutom PFK-1 så är ytterligare två enzymer i glykolysen reglerade, nämligen hexokinas och pyruvatkinas. Vad har dessa tre steg i glykolysen gemensamt som gör att de är hårt kontrollerade? (1p) a) Fosfatgruppen kommer från ATP. (1p) b) Alloster reglering. (1p) c) Feed-back-inhibering. (1p) d) Dessa tre steg förbrukar ATP och frigör mycket energi (stort negativt delta-g) och kan betecknas som metaboliskt irreversibla steg. Sådana steg är oftast hårt reglerade för att inte ATP ska förbrukas och energi frigöras i onödan. (1p) 8. a) Varför bildar celler etanol (jäst) eller laktat (mjölksyra; djurceller) vid glykolys under anaeroba förhållanden? (3p) b) Hur många mol ATP bildas vid anaerob nedbrytning av 1 mol glukos? (1p) a) I glykolysen reduceras NAD + till NADH (1p) av glyceraldehyd-3-fosfatdehydrogenas. För att glykolysen ska kunna fortgå kontinuerligt måste NADH oxideras tillbaka till NAD + (1p). I närvaro av syrgas så sker oxideringen i oxidativa fosforyleringen som förbrukar/kräver syre. Under anaeroba förhållanden så oxideras istället NADH till NAD + genom att pyruvat reduceras till laktat eller till etanol (via acetaldehyd) (1p). b) Glykolysen ger 2 mol ATP per mol glukos (1p) 9. Hur många mol ATP åtgår vid syntes av 1 mol glukos från pyruvat? Ge en kortfattad förklaring. (3p) 6 mol ATP (1p). Två st pyruvat (3 kol) per glukosmolekyl (6 kol) krävs (1p). Vid tre olika steg åtgår ATP (1p): Ett irreversibelt steg i mitokondrien, karboxylering av oxaloacetat till pyruvat, och två i cytosolen, oxaloacetat till fosfoenol-pyruvat och omvandlingen av 3-fosfoglycerat till 1,3-bisfosfoglycerat. Eftersom samtliga dessa steg sker innan de två 3-kolskropparna dihydroxyacetonfosfat och 3- glyceraldehydfosfat slås ihop till fruktos-1,6-bisfosfat åtgår det 3 st ATP för varje 3-kolskropp. Totalt 6st. (3 p) 10. Oxidativ fosforylering. a) Var i en eukaryot cell finns elektrontransportkedjan? (1p) b) Vilken roll har ubiquinon i elektrontransportkedjan? (1p) c) Vad driver det ATP-syntetiserande enzymet? (1p) a) Elektrontransportkedjan sitter i mitokondriens innermembran. (1p) b) Ubiquinon diffunderar omkring i mitokondriemembranet och fungerar som en elektronbärare (1p) mellan två av proteinkomplexen (NADH-Q-reduktas till cytokrom-reduktas). (3 p) Sidan 5 av 5

6 c) Proton-gradienten (skillnad i ph och laddning) över mitokondriens inner-membran driver det s.k. F1-ATPaset (1p) 11. Ange 4 olika produkter som kan bildas från citronsyracykelns intermediärer. (4p) Exempel: Aminosyror (från alfa ketoglutarat, oxaloacetat mfl), Fettsyror (via citrat), porfyriner (från succinyl-coa), Glukos (från oxaloacetat). 12. Vid en svältsituation ökar nivåerna av ketonkroppar i blodet. a) Ge en biokemisk förklaring till detta. (2p) b) I vilket organ och var i cellen bildas ketonkroppar? (2p) a) Vid svält prioriterar levern att syntetisera glukos av bla. oxaloacetat vilket leder till att det blir brist på oxaloacetat i citronsyracykeln (1p). Eftersom det inte finns tillräckligt med oxaloacetat i citronsyracykeln (i levern) kondenserar Acetyl-CoA med varandra och bildar ketonkroppar (1p). b) I huvudsak levern (1p) (i viss mån även i njure och tarm). I mitokondrierna (1p). 13. Förklara i biokemiska termer hur det är möjligt att utnyttja ett överskott på aminosyror till energi och till fettsyrasyntes. Rita figur och förklara. (5 p) Överskott på aminosyror leder till ökad transaminering (överföring av aminogruppen till en ketosyra) och deaminering (borttagande av aminogruppen) (2p). Kolskeletten från aminosyrorna utnyttjas till energi och syntes av glukos (2p). Eftersom överskottet av aminosyror resulterar i en ökad koncentration av citrat (och glukos) bildas det fettsyror av citrat. (1p). 14. Du har fått jobb som produktutvecklare på ett företag som arbetar med mervärdesmat (functional food). I flera oberoende forskningsrapporter har det framkommit att det i rödklöver finns substanser som minskar risken för att kvinnor skall drabbas av benskörhet. Företaget har tänkt blanda in rödklövermjöl i müsli för att skapa en produkt special designad för kvinnor. Men det finns även misstankar om att de aktiva substanserna (i rödklöver) kan påverka andningskedjan negativt. Eftersom du har goda biokemiska kunskaper faller det på din lott att ta reda på om, var och hur denna substans påverkar (inhibering och eller frikoppling av) 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/substanserna påverkar andningskedjan? Beskriv hur du går tillväga genom att ange vilken utrustning och kemikalier (substrat mm) som du använder för att detektera påverkan på andningskedjan. (10 p) Till en suspensionen innehållande mitokondrier (1p), buffert, substrat (glutatmat, NADH) (1p) och ADP (eller ADP-genererande system) (1p) tillsätts extraktet/substansen. Sidan 6 av 6

7 Förändring i syrgaskonsumtion registreras (1p). Om inhibering sker tillsätts nästa substrat (Succinat (FADH 2 )(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 O 2. (1p) Kontroll av frikoppling: Sätt till mitokondrier, substrat (glutamat) och därefter extrakt/substans. Om syrgaskonsumtionen ökar medför det att substansern frikopplar andningskedjan. Kontrollera med att sätta till DNP (1p) 15. Beskriv med biokemiska termer samspelet mellan muskel och lever under och efter en kraftig muskelansträngning (exempelvis löpning maximalt tempo under 4min). Rita en figur med förklarande text. (6p) Figur på Cori-cykeln och förklaring: Glykogen i musklerna bryts ned (1p) till glukos- 6-fosfat som oxideras vidare i glykolysen (1p). Syrefattig miljö leder till att laktat bildas i musklerna (1p). Laktat som produceras i musklerna transporteras till levern (1p). Där omvandlas laktat till glukos (1p) via glukoneogenesen (1p). Glukos transporteras tillbaka till muskeln för att där utnyttjas som energisubstrat (1p). (Korrekt figur utan text max 3p). 16. En bekant till dig som tränar regelbundet för att springa maraton har läst att det skall vara bra att äta L-carnitin. Var är den aktiv och vilken uppgift har den/det i cellen? (2p) (2 p) L-carnitin är en zwitterjonisk alkohol som binder till långa fettsyror (transport av fettsyror längre än 8-10 C) (1p). De långa fettsyrorna måste vara bundna till carnitin för att kunna transporteras in i mitokondrierna. (1p) 17. Glukagon är ett hormon som har en avgörande roll i de olika metaboliska vägarna. a) Vilka metaboliska vägar aktiveras vid en hög nivå av glukagon (4p) b) Ge en schematisk beskrivning av hur signalen från Glukagon påverkar en av de metaboliska vägar du föreslagit ovan. (2p) a) Följande vägar aktiveras av glukagon: Glykogennedbrytning (1p) (för att öka blodglukosnivån), glukoneogenes (1p) (bildning av glukos från icke kolhydrater, tex. Aminosyror, laktat och glycerol), lipolys (1p) (fettsyranedbrytning för energiutnyttjande), ketokroppsproduktion (1p) (samt upptag och nedbrytning av aminosyror i lever för glukoneogenes). b) Glukagon binder till receptorn på cellmembranet. (1p) En så kallad G-proteinmedierad signalöverföring via adenylatcyklas sker. Aktivering av proteinkinas medför fosforylering av de enzymer som ingår i den sk. kaskadreaktionen. (1p) Sidan 7 av 7

8 18. Vilka reaktioner katalyserar följande nyckelenzymer. Ange substrat och produkt (formel behöver ej anges) a) Hekokinas b) Pyruvatdehydrogenas-komplexet (PDH) c) Isocitrat-dehydrogenas d) Fosfofruktokinas e) Glykogenfosforylas f) Glukos-6-fosfatas a) glukos glukos-6-fosfat (hexokinas) b) pyruvat Acetyl CoA (PDH-komplex) c) isocitrat alfa-ketoglutarat (isocitrat-dehydrogenas) d) fruktos-6-fosfat fruktos-1,6-bisfosfat (fosfofruktokinas) e) glykogen glukos-1-fosfat (glykogenfosforylas) f) glukos-6-fosfat glukos (glukos-6-fosfatas) 19. Fotosyntes a) Visa schematiskt principen för fotofosforylering (fotosyntetisk ATP-syntes). Förklara också med ett par meningar principen. (4p) b) Hur skiljer sig den cykliska fotofosforyleringen från den icke-cykliska? (Ledning: vilken väg tar elektronerna och vilken/vilka föreningar bildas?) (2p) a) Solljuset driver en elektrontransport genom ett biologiskt membran, [t.ex. tylakoidmembranet i växternas kloroplaster] från en givare (D) till en mottagare (A) via pigment (P, t.e.x. klorofyll) (1p). Detta driver en samtidig transport av protoner genom membranet [från stroma till tylakoidens lumen i kloroplasten, från insidan till utsidan av innermembranet] (1p), som ger upphov till en protongradient (1p). Gradienten utjämnas genom transport av protoner tillbaka till stroma genom enzymet ATP-syntas (1p), varvid ATP syntetiseras från ADP och Pi. Skissen kan naturligtvis vara mer detaljerad och innehålla två fotosystem, cytokrom b/f-komplex, etc., men detta är inte nödvändigt då endast principen efterfrågas. En cyklisk elektron-transport är också möjlig (se skiss 2). Kommentarer inom [] ej nödvändiga för korrekt svar. Sidan 8 av 8

9 b) Cyklisk elektrontransport leder till syntes av ATP utan samtidig reducering av NADP + till NADPH, medan icke-cyklisk elektrontransport producerar både ATP och reducerat NADPH (1p). I cyklisk elektrontransport transporteras elektroner cykliskt mellan PS och cytokrom b/f-komplexet [via ferredoxin och plastoquinonpoolen], d.v.s PSII deltar inte och NADP + reduceras inte (0.5p). Protongradienten bildas genom transport av protoner genom cytokrom b/f-komplexet (0.5p). 20. Fotosyntes a) Beskriv kolets kretslopp med en enkel skiss. (2p) b) Var i växten sker fotosyntetisk kolfixering (mörker-reaktion, Calvincykeln)? (1p) c) Vad heter enzymet som katalyserar fixering av luftens CO 2? (1p) d) På vilket sätt påverkar luftens syre flödet och energiutbytet i reaktionen? (1p) (5 p) a) Se skiss nedan. Autotrofer fixerar luftens koldioxid (CO 2 ) som omvandlas till kolhydrat ( O) n och spjälkar vatten (H 2 O) till syre (O 2 ). Processen drivs av solljusenergin. Heterotrofer livnär sej på kolhydrater som producerats av autotrofer och använder syre till förbränning, varvid vatten bildas. (2p) b) Fotosyntesens mörkerreaktion sker i kloroplasternas stroma (1p). c) Rubisco [ribulos-1,5-bisfosfat karboxylas/oxygenas] (1p) d) Hög syrekoncentration leder till oxygenering av ribulos-1,5-bisfosfat i stället för carboxylering. Nedbrytning av den resulterande föreningen (2-fosfoglycerat) är en energikrävande process, som resulterar i att kol avlägsnas ur Calvincykeln och att koldioxid i stället avges. Detta reducerar utbytet (1p). Sidan 9 av 9