TENTAMEN I MEDICINSK BIOKEMI (10 hp)

Transkript

1 KAROLINSKA INSTITUTET Biomedicinprogrammet (kandidat) TENTAMEN I MEDICINSK BIOKEMI (10 hp) MÅNDAGEN DEN 1 MARS 2010, Kontrollera att alla sidor (1-14) och frågor (1-23) finns i mappen innan du börjar. OBS! Texta tydligt! Efternamn:... Mappnr:... Förnamn:... Personnr:... Resultatsammanställning: Totalsumma: Resultat: OBS! MYCKET VIKTIGT!! FÖRSE VARJE SIDA MED MAPPNUMMER! Besvara frågorna direkt i det utdelade materialet. Använd helst inte andra lösa blad, och var i så fall noga med att skriva namn och mappnummer på alla inlämnade papper! OBS OBS! Skriv ej på baksidan på några papper. Skriv ej i marginalen. Lägg in samtliga blad i den bifogade mappen. Inga blad får plockas bort! Poängen står angiven vid varje fråga. Total maxpoäng = 60. Skrivningar får ej tas med ut från skrivsalen. Betyg: F 0-19,5 p; Fx 20-29,5 p; E 30-35,5 p; D 36-41,5 p; C 42-47,5 p; B 48-53,5 p; A p

2 Mappnr: _ TEXTA TACK! 2 Frågor i anslutning till artikeln Skeletal muscle fat and carbohydrate metabolism during recovery from glycogen-depleting exercise in humans, N. E. Kimber, G. J. F. Heigenhauser, L. L. Spriet & D. J. Dyck, J. Physiol., 548: , (Totalt 10 p) 1. Vad var avsikten (två viktiga delmål) med studien som beskrivs i artikeln? (1 p) BiA Svar: Avsikten med studien var att undersöka betydelsen av intramuskulärt triacylglycerol som energisubstrat efter intensivt arbete samt att i mera detalj undersöka de metabola förändringar som sker i skelettmuskulatur efter glykogenuttömning. 2. I artikelns metoddel beskrivs kortfattat blodprovstagning och behandling av blodproverna före de olika analyserna. Varför önskar man inaktivera lipoproteinlipas (LPL) före fettsyraanalysen och varför inaktiveras LPL av den aktuella behandlingen? Hur aktiveras LPL in vivo i kroppen? (2 p) BiA Svar: Tillsatsen av NaCl (5M) och upphettningen (56 o C) kommer att denaturera LPL, som inaktiveras och därmed inte kan fortsätta att bryta ned TAG till fria fettsyror och glycerol. In vivo aktiveras LPL av hormonet insulin och allostert av apolipoprotein CII som finns på kylomikroner och VLDL.

3 Mappnr: _ TEXTA TACK! 3 3. I artikelns resultatdel (inklusive Tabell 2) beskrivs de koncentrationsförändringar av blodglukos samt insulin, fria fettsyror och glycerol i plasma som erhölls i studien. Utifrån det du lärt dig under MBK-kursen om metabola förändringar i samband med födointag, fasta och träning redogör för de erhållna resultaten och hur de hänger samman. (2 p) BiA Svar: När koncentrationen av blodglukos, och därmed plasmainsulin, faller på grund av arbetet aktiveras det hormonkänsliga lipaset (HSL) i fettväven. HSL kommer då att bryta ner TAG varvid plasmanivåerna av fettsyror och glycerol ökar. Vid intag av den första måltiden ökar blodglukos och som en konsekvens härav också insulin. Den ökande koncentrationen av insulin kommer genom defosforylering hämma HSL i fettväven varvid koncentrationen av glycerol och fria fettsyror i plasma normaliseras. 4. I artikelns resultatdel samt i Tabell 2 beskrivs också hur plasmakoncentrationen av laktos förändras under försöket. Redogör för det metabola steget där laktat bildas (substrat, enzym och eventuella coenzym) samt varför laktatkoncentrationen ökar signifikant men kortvarigt i den aktuella studien. (2 p) BiA Svar: Reaktion: pyruvat + NADH + H + laktat + NAD +. Enzymnamn: laktatdehydrogenas. Anledningen till att laktatkoncentrationerna ökar i den aktuella studien är att det utförda arbetet resulterade i anaerob metabolism med laktatbildning p.g.a. att syreskuld uppstår.

4 Mappnr: _ TEXTA TACK! 4 5. I artikeln diskuteras ett paradoxalt fynd rörande oxidationen av fett i relation till insulinkoncentrationen under återhämtningsfasen. Med utgångspunkt från vad du lärt dig under MBK-kursen, förklara varför fyndet verkar paradoxalt. (1 p) BiA Svar: Då koncentrationen av insulin ökar under återhämtningsfasen ökar bildningen av malonyl-coa. Malonyl-CoA inhiberar enzymet karnitin-(acyl/palmitoyl)-transferas I för att motverka intransport av nysyntetiserade fettsyror i mitokondrien. Därför verkar det paradoxalt att båda processerna kan pågå samtidigt 6. Med utgångspunkt från både artikeln och det du lärt dig under MBK-kursen redogör för de metabola förändringar som rapporteras under återhämtningsperioden vad avser påverkan på glykogen och regleringen av pyruvatdehydrogenas (PDH)-aktiviteten. Hur skall man förklara detta med tanke på de effekter insulin har på många olika enzymer i de aktuella metabola vägarna. (2 p) BiA Svar: I studien finner man att glykogenesen ökar samtidigt som PDH-aktiviteten hämmas. Eftersom insulin stimulerar glukokinas/hexokinas, fosfofruktokinas 1 och 2 samt pyruvatkinas, glukos-6-fosfat-dehydrogenas (HMP-shunten), skulle inflödet av glukos styras mot dessa på bekostnad av glykogenesen. Å andra sidan stimuleras också glykogensyntas av insulin samtidigt som GSK hämmas vilket också gynnar glykogenesen. En ytterligare faktor som styr mot glykogenes är den allostera aktiveringen glykogensyntas som sker via glukos-6-fosfat. Att flödet av glukos i första hand går i riktning mot glykogen får antas bero på K m hos olika enzymer, som använder glukos-6-fosfat som substrat, samt hur de olika metabola vägarna som konkurrerar om detta substrat är reglerade dels av insulin men också av kalcium, och kvoterna av ATP/ADP, acetylcoa/coa-sh, NADH/NAD + och av AMP beroende kinaser.

5 Mappnr: _ TEXTA TACK! 5 Essäfråga 7. Vid långvarig svält härstammar mycket av hjärnans energi från fettdepåerna i kroppen. Förklara hur det går till genom att: a) Redogöra för hur processen i fettväven stimuleras med hormon, receptor och fullständig signaltransduktion till och med det första intracellulära enzymet. b) Med namn eller formler redogöra för samtliga steg (substrat och produkter) från hela tripalmitoyl-glycerolmolekylen i fettväven till och med det första steget i en cell i hjärnan för var och en av de olika produkter som härstammar från de olika delarna i triacylglycerolen. Namn krävs på de enzym som är reglerade. (Vägledning: Ange hur frisättningen sker i fettcellen, hur produkterna transporteras, hur och var de frisatta produkterna omvandlas till substrat för hjärnan, samt hur dessa substrat transporteras till en cell i hjärnan.) (10 p) ÅRö Svar: a) Glukagon binds till en 7TM-receptor som då ändrar konformation så att det kan interagera med (flera) G-protein så att dessa byter sitt bundna GDP till GTP i α- subenheten. Efter detta utbyte lossnar från Gα-GTP och kan kopplas till adenylatcyklaset, som då ändrar konformation och kan katalysera omvandling av ATP till camp och PP i. [Inneboende GTPas-aktivitet i Gα-subenheten hydrolyserar till GDP, och subenheten släpper och kan binda till G α-subenheten som då inte längre kan binda till adenylatcyklas. (Adenylatcyklaset återställs dessutom med flera mekanismer.)] camp binder till de två regulatoriska subenheterna (2 camp / subenhet) i proteinkinas A (PKA) så att de två katalytiska subenheterna frisätts och kan fosforylera olika målproteiner med hjälp av ATP. b) I fettväv är målproteinerna för aktiverat PKA proteinet Perilipin, som omger TAGaggregat, samt triacylglycerollipas (vävnadslipas, hormonkänsligt lipas). TAG-lipas blir då aktivt och hydrolyserar TAG till DAG och FFA samt DAG till MAG och FFA. Bildad MAG hydrolyseras av icke-reglerade lipaser (MAG-lipas), slutprodukterna är glycerol och fria fettsyror. Glycerol transporteras fritt i blodet till lever och njure, bildar glycerol-3-fosfat (med glycerolkinas och ATP) som oxideras med glycerol-3- fosfatdehydrogenas och NAD + till DHAP som isomeriseras till glyceraldehyd-3-fosfat och dessa två slås ihop (aldolas) till fruktos-1,6-bisfosfat som klyvs av det reglerade enzymet fruktos-1,6-bisfosfatas (hämmas av AMP och i lever av fruktos-2,6-bisfosfat och insulin på gennivå) till fruktos-6-fosfat. Fruktos-6-fosfat isomeriseras till glukos-6- fosfat som klyvs av glukos-6-fosfatas (i lever och njure), bildat glukos transporteras med blod till hjärnan där det tas upp av GLUT-3 och sedan fosforyleras till glukos-6- fosfat av hexokinas. Fettsyrorna transporteras till lever på albumin, bildar acyl-coa med CoA och ATP, acyl-coa bildar acylkarnitin (CAT1/CPT1 hämmas av malonylcoa) på yttre mitokondriemembranet och translokeras in genom inre mit.-membranet för att återbilda acyl-coa, som β-oxideras (OBS! skall beskrivas) till acetyl-coa, som bildar ketonkropparna (OBS! skall beskrivas) acetoacetat och 3-hydroxybutyrat samt aceton (som ej används). De bildade energisubstraten transporteras fritt i blodet, i hjärnan återoxideras 3-hydroxybutyrat (ger NADH) till acetoacetat, som aktiveras acetoacetyl- CoA genom att erhålla CoA från succinyl-coa.

6 Mappnr: _ TEXTA TACK! 6 Essäfråga 8. Redogör för bearbetning, nedbrytning och absorption av proteiner i matsmältningskanalens olika delar, samt miljöns betydelse för dessa processer och hur dessa processer regleras av specifika hormoner. (5 p) ÅRö Svar:Redogörelsen skall på ett systematiskt sätt beskriva nedbrytning, processning och absorption av proteiner i matsmältningskanalens olika delar vad avser mekanisk påverkan (i t.ex. munhålan och magsäcken), miljömässig påverkan (t.ex. ph i mage denaturering och tarm för opimalt ph och mekanism hos serinproteaserna), samt framförallt enzymatisk påverkan. När det gäller den enzymatiska påverkan skall centrala enzymer för proteindigestionen behandlas (bl.a. pepsin, enteropeptidas, trypsin samt övriga endo- och exopeptidaser) och vad som utgör substrat resp. produkter. Essentiella hormoner som bör tas upp är f.f.a. sekretin och kolecystokinin som skall diskuteras vad avser bildning och funktioner; även gastrin bör diskuteras då det påverkar syrasekretionen. Vad avser absorption skall de flesta principerna diskuteras och exemplifieras: faciliterad diffusion, sekundär aktiv transport (d.v.s. symport); för a.s. och peptider symport med Na-joner (olika transportörer specifika för olika klasser av a.s.) resp. H-joner (PepT1). För den vidare transporten till blodbanan faciliterad diffusion m.h.a. olika a.s.-transportörer. [För upptag från blodbanan vid svält faciliterad diffusion av delvis andra a.s.-transportörer.]

7 Mappnr: _ TEXTA TACK! 7 Essäfråga 9. Beskriv citronsyracykeln (TCA-cykeln), dess funktion och betydelse. Rita schematiskt dess förlopp (ej strukturformler). Var i cellen utspelar sig citronsyracykeln? Hur är den kopplad till glykolysen respektive andningskedjan? I citronsyracykelns första steg sker en kondensation (sammanslagning) av två föreningar. Vilka? Under den fortsatta metabolismen i citronsyracykeln sker två oxidativa dekarboxyleringsreaktioner. Vad avspjälkas i dessa reaktioner? Vilka enzymer katalyserar dessa reaktioner och hur regleras de? I ett av stegen i citronsyracykeln sker en direkt fosforylering. Ange substrat och produkter i reaktion. Varifrån kommer den nödvändiga energin? Förklara! (5 p) TiP Svar: Se kapitel 17, Berg et al., Biochemistry. AcetylCoA och oxaloacetat bildar citrat i citronsyracykelns första steg. De två oxidativa dekarboxyleringsstegen katalyseras av isocitratdehydrogenas respektive α- ketoglutaratdehydrogenas och är allostert reglerade. ADP är positv effektor för isocitratdehydrogenas. Negativa effektorer är ATP och NADH + för båda enzymerna, medan också GTP och succinylcoa hämmar α-ketoglutaratdehydrogenas. I dessa reaktioner avgår CO 2. Fosforyleringsreaktionen genererar GTP från GDP och Pi, samtidigt som succinylcoa blir till succinat. Genom klyvning av en högenergibindning (tioesterbindning) i succinylcoa frigörs så mycket energi att det räcker till att bilda GTP.

8 Mappnr: _ TEXTA TACK! 8 Essäfråga 10. Alkoholmissbruk kan leda till skrumplever (levercirrhos) vilket i sin tur kan leda till levercoma bland annat genom att ammoniumjoner når för hjärnan toxiska nivåer. Vilken process i levercellerna är då nedsatt eller utslagen? Beskriv processen från α - aminosyror till utsöndringsprodukten samt för den senare, ange varifrån de två kväveatomerna i struktur härrör! I beskrivningen tag med cellulära lokalisationer, cofaktorer, reglering samt koppling till citronsyracykel. (5 p) ToB Svar: För detaljer, se Berg et al Kap 23. Transamineringar, oxidativ deaminering, karbamylfosfatsyntetas-reaktionen, urea-cykeln, fumarat-malat-oxaloacetat-aspartat kopplingen, kväve från ammoniumjoner resp aspartat (glutamat).

9 Mappnr: _ Kortsvarsfrågor TEXTA TACK! Ange tre viktiga funktioner för lipoproteinet HDL (3 p) MaH Svar: a) upptag av överskott kolesterol från olika vävnader, förestring av detta till kolesterylester med hjälp av PCAT, leverans av kolesterol till levern; b) reservoar för apolipoproteiner med utväxling av ApoC-II och ApoE till chylomikroner och VLDL; c) utbyte av lipider med VLDL varvid CETP transporterar kolesterylester till VLDL medan triglycerider transporteras i motsatt riktning. 12. Ange fyra funktioner för kroppens kolesterol (2 p) MaH Svar: a) ingå som strukturkomponent i cellens membraner; b) bilda gallsalter som behövs för effektiv digestion och absorption av lipider i magtarmkanalen; c) bilda steroidhormoner; d) via 7-dehydrocholesterol bilda vitamin D.

10 Mappnr: _ TEXTA TACK! Hur ser sockerdelen i nukleosider ut och varifrån kommer den i nysyntes av nukleotider? Svara med såväl skiss som ord. (2 p) ElA Svar:Ribos eller deoxyribos, som kommer från HMP-shunten i form av ribos-5-fosfat. För rätt svar krävs även godkänd skiss. 14. Hur syntetiseras deoxyribonukleotider de novo och hur regleras syntes? (3 p) ElA Svar: Ribonukleotid reduktas reducerar ADP, GDP, CDP och UDP till motsvarande dndp's m.h.a. thioredoxin eller glutaredoxin. Reglering sker allostert vad gäller såväl aktivitet (datp hämmar) och substratspecificitet (regleras via en andra alloster yta i ribonukleotidreduktas). dudp fosforyleras till dutp, vilket genast bryts ned till dump, som är substrat för tymidylat syntas som syntetiserar dtmp m.h.a. folsyrederivat.

11 Mappnr: _ TEXTA TACK! Vilken är utgångssubstansen vid syntes av nyckelintermediären pregnenolon i steroidbiosyntesen och vad heter det enzym som katalyserar reaktionen? (1 p) AWe Svar: Kolesterol, Desmolas 16. Beskriv prostaglandinbiosyntesen översiktligt (strukturformler ej nödvändigt). Vad heter enzymet som hämmas av acetylsalicylsyra, och som katalyserar de första stegen? Vad är substratet för detta enzym, och var i cellen finns detta upplagrat? Hur regleras cellens prostaglandinsyntes? (3 p) AWe Svar: Cycklo-oxygenas, två isoenzymer, COX-1/2. Arachidonsyra, i fosfolipider i olika membran. För PG-syntes, mest kärnans membran. Genom reglering av frisättning av substrat, från fosfolipider. Katalyseras av fosfolipas A 2, som aktiveras då Ca 2+ koncentrationen i cellen ökar.

12 Mappnr: _ TEXTA TACK! Hur åstadkommes grenarna i glykogenstrukturen? Beskriv processen och namnge enzymet. (2 p) TiP Svar: Branching enzyme = glukosyl-4:6-transferas för över 5-8 glukosrester som en kedja från ickereducerande änden till position 6 några glukosenheter in. Båda kedjorna kan sedan tillväxa genom att UDP-glukos används. 18. Ange med namn eller strukturformel fyra olika produkter som direkt kan bildas från glukos-6-fosfat i lever! (2 p) TiP Svar: Glukos, fruktos-6-fosfat, glukos-1-fosfat, 6-fosfoglukono-δ-lakton, sorbitol

13 Mappnr: _ TEXTA TACK! Vad bildas när glykogen bryts ned i en muskelcell? Förklara hur det går till! (Inte regleringen) (2 p) TiP Svar: Det bildas glukos-1-fosfat och glukos: Glykogenfosforylas klyver glukosidbindningen mellan C-1 i den frigjorda och C-4 i den kvarvarande glukosresten med hjälp av oorganiskt fosfat. Debranching enzyme flyttar en kedja av 3 glukosrester från en sidokedja om 4 glukos vid C-6 till huvudkedjan, men en glukosrest blir kvar. Denna hydrolyseras loss av debranching enzyme och ger fritt glukos. 20. Vilka två produkter genereras i HMP-shunten som är viktiga i intermediärmetabolismen? (1 p) TiP Svar: NADPH och ribos-5-fosfat

14 Mappnr: _ TEXTA TACK! För metylering av homocystein krävs två B-vitaminer, vilka? (1 p) ToB Svar: Folsyra, vitamin B Fettlever är ett tillstånd som kan ha flera bakomliggande orsaker men ofta sammankopplas med alkoholmissbruk. Vad ligger bakom den ökade inlagringen av fett i samband med alkoholism? (1 p) ToB Svar: Oxidation av alkohol ger mycket energi vilket dämpar behovet av beta-oxidation av fettsyror medan samtidigt intransporten av fettsyror till levern från fettväv ökar liksom syntesen av triacylglyceroler. 23. Från vilken aminosyra bildas (0,5 p/svar, totalt 2 p) ToB a) tyrosin? Svar: Phe b) adrenalin? Svar: Tyr c) NO? Svar: Arg d) homocystein? Svar: Met