Medicinsk biokemi och biofysik Termin 1, Läkarprogrammet Den Friska Människan 1 (DFM1) Moment 2: Matsmältning och ämnesomsättning VT09 Utmaningen SEMINARIEUPPGIFTER och Instuderingsfrågor TILL DFM1: MOMENT 2 (avsnitt 4-7) Namn: Grupp:
Reviderad 2009-02-27 (ÅRö-MBB) Fritt från Hans-Erik Claesson. Introduktion. Innehåll Seminarium 1. Kolhydrater och Lipider Seminarium 2. Proteiner samt Enzymer och Cofaktorer. Seminarium 3. Matsmältningskanalen (sekretion, digestion och absorption). Seminarium 4. Översikt av blodsockerregleringen. Glykolys och glukoneogenes. Coris cykel. Signaltransduktion (ytligt). Seminarium 5. Citronsyracykeln, elektrontransportkedjan, oxidativ fosforylering. malatskytteln, glycerol-3-fosfatskytteln. Seminarium 6. Glykogenes och glykogenolys. Glykogenets funktion. Metabolism av fruktos och galaktos. HMP-shunten. Signaltransduktion (detaljerat). Seminarium 7. Lipogenes: acetyl-coa-karboxylas, fettsyrabiosyntes, TAG-syntes och fosfolipidsyntes. Seminarium 8. Lipolysen och -oxidationen. Bildning och nedbrytning av ketonkroppar. Seminarium 9. Aminosyrametabolism - generella mekanismer för aminosyranedbrytning, ureacykeln, glutaminasreaktionen. Bildning av katekolaminer och serotonin. Metabolism av kreatinfosfat. Seminarium 10. Nukleotidmetabolism Seminarium 11. Repetitionsseminarium. Översikt av intermediärmetabolismen (utgående från diabetes). Seminarium 12. Nutrition och näringslära Några tips: Börja inte med instuderingsfrågorna direkt! Det går mycket lättare om Du först har gått igenom det aktuella avsnittet översiktligt i boken. De bifogade instuderingsfrågorna är till för din egen skull och kommer inte att gås igenom på seminarierna. Glöm därför inte att titta ordentligt på själva seminarieuppgifterna! Litteratur: Champe, Harvey & Ferrier: Biochemistry, 4th ed. 2007. Alberts et al: Molecular Biology of the Cell, 5th ed 2008 (kap 2 och 3, samt sid 617-667). Boron & Boulpaep: Medical Physiology, Updated ed. 2005 (kap 1-4, 40-45, 57 ytligt 59). Boron & Boulpaep: Medical Physiology, 2nd ed. 2009 (kap 1-3, 5, 41-46, 58 ytligt 60). Lycka till!! 2
Inledning Med kosten får vi oss många olika typer av näringsämnen (kolhydrater, lipider och proteiner), som under passagen från munhålan och vidare ned genom mag-tarmkanalen, enzymatiskt skall brytas ned till olika byggstenar. Därefter skall dessa byggstenar absorberas, transporteras och omsättas för att vi i olika organ skall kunna tillgodogöra oss dessa i form av energi eller använda dem för att syntetisera mera komplexa molekyler. För att dessa processer skall fungera på ett optimalt sätt är det väsentligt att miljön alltid är den rätta vad avser exempelvis ph och jonkoncentrationer. Spottkörtlarna, liksom levern och pankreas bidrager på olika sätt till att miljön är den rätta i matsmältningskanalen och till att hanteringen av våra näringsämnen i tarmen fungerar på ett optimalt sätt. Att äta rätt handlar inte bara om att på individuell basis inta en balanserad och lagom mängd av huvudnäringsämnena, utan också om att intaga en rad andra helt essentiella ämnen såsom vitaminer, salter och metaller. Via kosten får vi också i oss nukleinsyror och nukleotider, stora mängder vatten samt en hel del mer eller mindre toxiska substanser, som också skall hanteras på rätt sätt för att våra metabola processer skall fungera och vi skall må bra och inte drabbas av sjukdom. De faktorer som antagligen är av störst betydelse i detta sammanhang är individens genuppsättning och livsstil, men antagligen är även individens bakterieflora (i munhålan och tarmen) av stor betydelse liksom åldern. Olga är 40 år gammal och har drabbats av en livskris. Hon äter och dricker alldeles för mycket, rör sig inte mer än absolut nödvändigt och så har hon fått diabetes. Fetma är den vanligaste utlösande faktorn för diabetes (typ-2). Ofta kan både övervikt och denna specifika form av diabetes förbättras om man ändrar sin livsstil (lägger om kosten och börjar motionera). Här kan man verkligen tala om att slå två flugor i en smäll. Att lägga om kosten hade Olga var inne på länge eftersom hon till sist insett att Du blir vad du äter gäller alla även henne. Men att äta sig smal/banta hade inte funkat för henne. Efter diabetesdiagnosen, som Olga fick i samband med en nyligen genomförd hälsokontroll, insåg hon till sist att nu fanns det verkligen ingen återvändo! Hon stod inför sitt livs stora utmaning livsstilsförändring var av nöden! Att ändra på kosten föreföll som en första rimlig utmaning eftersom motion aldrig hade varit Olgas grej. Alla, inklusive Olga, har dock inte riktigt koll på vad det här med näringsämnen är (kolhydrater, lipider, proteiner och enzymer samt vitaminer) och det är av största vikt att du som blivande läkare har detta. Målet med de två första seminarierna (avsnitt 4) är att du skall lära dig detta. Målet med det 3:e seminariet (avsnitt 5) är att du skall lära dig hur våra näringsämnen hanteras i matsmältningskanalen. Under seminarium 4-12 (avsnitt 6 och 7) är inlärningsmålen att du skall lära dig hur de absorberade näringsämnena, inklusive nukleotider, normalt metaboliseras i kroppen och vid sjukdomen diabetes (seminarium 11). Under det sista seminariet (12) är inlärningsmålen att du bl.a. skall lära dig var de olika näringsämnena förekommer och vilka våra behov är av dessa. 3
Seminarieuppgift 1 Kolhydrater har enorma strukturella variationsmöjligheter men till skillnad från lipider och aminosyror beror variationen nästan helt på stereokemin. Små skillnader i stereokemi kan ge stora skillnader i kemiska och biologiska egenskaper. Ett effektivt sätt att lära sig kolhydraternas stereokemi är att rita konfigurationsformler och bygga molekylmodeller. Uppgifterna i detta seminarium är valda med tanke på detta och för att integrera reaktionsläran. OBS!! Molekyllådor utlånas under seminariet (1 låda/2studenter). OBS!! Det är inte nödvändigt att hinna igenom alla uppgifter se dem som förslag på uppgifter som kan behandlas under seminariet. Tag gärna en kort paus efter ca. halva seminarietiden. Vanligt socker, sukros, är sammansatt av D-glukos och D-fruktos. Rita Fischerprojektioner av dessa monosackarider, och bygg modeller av dem! Ringslut sedan dessa och bilda båda anomererna, och gå igenom vad som händer kemiskt vid ringslutningen! Namnge, och rita Haworth-projektionen av de ringslutna molekylerna! Bygg slutligen sukros (samarbeta med några kamrater för att modellådorna skall räcka till)! Gå igenom vad som händer kemiskt vid bildningen av sukros (se ovan)! Identifiera typ av glykosidbindning i disackariderna sukros, laktos, maltos och isomaltos. Identifiera på motsvarande sätt de två vanligaste typerna av glykosidbindningar som finns i glykoproteiner. Gör om D-glukosmodellen till modeller av D-galaktos och D-mannos. Rita Haworth-projektioner, och fundera på var skillnaderna mellan molekylerna ligger! Dessa socker är epimerer till D-glukos; vad innebär begreppet? 4
Till skillnad från kolhydrater utgör våra lipider en väldigt heterogen klass av ämnen med många olika funktioner. På grund av sin kemiska natur måste de exempelvis transporteras på olika sätt i kroppen (t.ex. kolesterol) innan de så småningom kan bygga upp våra membraner eller lagras i fettväv i form av triacylglyceroler. Många lipider innehåller glycerol som stomme (glycerolipider). Bygg nedanstående föreningar och identifiera i förekommande fall alkohol respektive fettsyra, samt esterbindningen! a) glycerol och etansyra, b) 1-acetyl-sn-glycerol och 3-acetyl-sn-glycerol. Hur skiljer sig dessa föreningar? c) 3-fosfat-sn-glycerol (OBS fosfoester). Studera strukturen hos fosfolipider som utgör viktiga byggstenar i våra membraner. Identifiera den del av fosfolipiden som vänder sig mot den hydrofila miljön (intracellulärt respektive extracellulärt)! Tänk i detta sammanhang igenom hur fosfolipider kan binda Ca 2+ vilket är av stor betydelse för effektiv bindning av vissa koagulationsfaktorer (vissa är s.k. serinproteaser se bilaga till seminarium 2) till ett skadeställe i samband med blodets koagulering. Vilka bindningar håller ihop cellmembranet, vilka bindningar kan finnas mellan ett cellmembran och miljön, och hur är miljön organiserad (vattenmolekyler, salter)? Vilken betydelse har det faktum att cellmembranet innehåller fettsyror med cis-konfiguration i dubbelbindningarna? Om man i ställer har transkonfiguration, hur påverkas membranets struktur och rörlighet? Hur påverkas membranets struktur av lipiden kolesterol? Vilka annan klass av biomolekyler är vanligt förekommande i våra cellmembraner? Många olika biologiska molekyler, t.ex. omättade fettsyror, förändras strukturellt då de oxideras. Oxidation av Low Density Lipoprotein (LDL; lipoprotein som transporterar kolesterol i blodbanan), är ett exempel där oxidation av molekyler anses bidrag till sjukdom - åderförkalkning. Diskutera begreppet oxidation och reduktion i biologiska molekyler med utgångspunkt från vad som händer när etanol oxideras enzymatiskt till ättiksyra i kroppen. (Använd oxidationstal [se bl.a. Alberts et al, 5th ed., sid71] för att definiera begreppen oxidation och reduktion). 5
Instuderingsfrågor: Kolhydrater 1. Vad är anledningen till att kolhydrater heter just "kolhydrater". Förklara kortfattat! Vad har kolhydrater för funktion i kroppen? Vilka är våra huvudsakliga nutriella kolhydrater? 2. Kolhydrater kan indelas i olika klasser med avseende på antal subenheter i molekylen. Definiera följande begrepp samt exemplifiera med de fysiologiskt viktigaste kolhydraterna ur varje klass. a. Monosackarid b. Disackarid c. Polysackarid d. Oligosackarid 3. Vad menas med aldosocker (aldos) resp. ketosocker (ketos)? Ge exempel! Rita en aldehydresp. ketogrupp. 4. Vad menas med en asymmetrisk kolatom? Hur många asymmetriska kolatomer finns det i de acykliska formerna av nedan angivna socker? a. Dihydroxyaceton b. Glyceraldehyd c. Glukos d. Fruktos e. Ribos f. Deoxyribos 5. En sockermolekyl med minst 4 kol kan uppträda i såväl cyklisk som acyklisk form. Rita de cykliska respektive acykliska formerna av glukos, fruktos och ribos. 6. Förklara begreppen pyranosform och furanosform. Rita gärna! 7. Vad menas med anomer kolatom? Hur uppkommer det anomera kolet? 8. Kolhydrater med samma bruttoformler kan uppträda i olika former med helt skilda kemiska egenskaper. I detta sammanhang används en rad olika begrepp för att karaktärisera närbesläktade föreningar. Redogör för följande begrepp samt ge exempel på föreningar som är: a. Anomerer b. Enantiomerer (spegelbildsisomerer) c. Epimerer 9. Vad avgör om ett socker är ett L- eller D-socker när det uppträder i sin acykliska respektive cykliska form. 10. Den acykliska formen av ett socker åskådliggörs vanligen genom Fischerprojektion medan den cykliska formen åskådliggörs genom Haworthprojektion. Hur hamnar substituenter som sitter till höger i Fischerprojektioner när man använder Haworthprojektioner? 11. Vad är en glykosidbindning? Rita två glukosrester som är sammanbundna med (1-4)- resp. (1-4)-bindning. 12. Vilka två glykosidbindningar påträffas i glykogen och vad har glykogen för funktion i kroppen? 13. Vilka monosackarider bygger upp nedan angivna disackarider och hur ser glykosidbindningen ut i resp. sockerart? Rita! Vilken av dessa disackarider kan vi inte bryta ner? a. Sukros b. Maltos c. Isomaltos d. Laktos e. Cellobios 6
14. Vilken kemisk förening bildas som biprodukt vid omvandling av två monosackarider till en disackarid? 15. Stärkelse är uppbyggd av två olika polysackarider. a. Vilka är dessa och i vilka proportioner ingår de i stärkelsen? b. Beskriv skillnaden i dessa polysackariders struktur. c. Hur skiljer sig stärkelse strukturmässigt från glykogen? d. Varför kan vi tillgodogöra oss glukosinnehållet i stärkelse, men inte i cellulosa? 16. Hur är cellulosa uppbyggt? Vad skiljer denna molekyl från stärkelse? Varför kan vi inte tillgodogöra oss energi från cellulosa? 17. Oxidation av 1:a resp. 6:e kolatomen i glukos ger upphov till karboxylsyror. Vad heter dessa? 18. Om 2:a kolatomen i ribos reduceras vilket socker får man då? 19. Redogör kortfattat för nedanstående heteroglykaners struktur med avseende på ingående monosackaridenheter, substituenter, funktion och förekomst. a. Hyaluronsyra b. Heparin c. Kondroitinsulfat 20. Beskriv proteoglykanernas principiella uppbyggnad och funktion. Vad skiljer i den principiella uppbyggnaden av proteoglykaner och glykoproteiner? 21. Vad innebär glykosylering respektive glykering ( glycation )? [Glykering sker i ökad utsträckning t.ex. vid diabetes?] 7
Instuderingsfrågor: Lipider 1. Vad innebär det att en förening klassas som en lipid? Förklara kortfattat! 2. Rita den allmänna strukturformeln för en fettsyra. Hur är lipider principiellt uppbyggda? 3. Finns det någon principiell skillnad mellan fettsyror och karboxylsyror t.ex. ättiksyra? Rita en karboxylgrupp! 4. Vad menas med en fettsyras -, ß- resp. -kol? Hur är detta beteckningssätt relaterat till det numeriska beteckningssättet (1, 2 o.s.v.)? 5. Vad menas med mättade respektive omättade (enkel- och fler-omättade) fettsyror? 6. Vilken konfiguration har dubbelbindningarna i de omättade fettsyrorna i vår kropp? Förklara isomeribegreppen cis och trans [E/Z är ett mera generellt nomenklatur system som kan användas vid denna typ av isomeri]. 7. Ange antal kol och dubbelbindningar i följande fettsyror. Mellan vilka kol sitter dubbelbindningarna? antal kol antal dubbelbindningar mellan vilka kol a. Linolsyra b. Palmitinsyra c. Oljesyra d. Linolensyra e. Arakidonsyra f. Stearinsyra g. Eikosapentaensyra (EPA) h. Dokosahexaensyra (DHA) 8. Vilka är de essentiella fettsyrorna och vad menas med begreppet? 9. Beskriv strukturen för triacylglycerol (triglycerid) genom en enkel skiss. 10. Förklara vad som menas med begreppet stereospecifik numrering (sn-). 11. Vilka produkter bildas vid lipolysen, d.v.s. nedbrytningen av triacylglyeroler i fettvävnad? 12. Fettsyresammansättningen i glycerofosfolipider är "asymmetrisk". Vilken typ av fettsyror sitter oftast vid C-1 respektive C-2 av glycerolskelettet? Hur påverkas smälttemperaturen hos triacylglyceroler av förekomsten av dubbelbindningar i de ingående fettsyrorna? 13. Rita strukturformeln för kolesterol samt ange beteckningar för ringarna. 14. Kolesterolderivatet östrogen bildas från testosteron genom flera strukturomvandlingar bl.a. genom att A-ringen i kolesterol aromatiseras. Vad menas med att en förening är aromatisk och vilken kemisk struktur innehåller aromater? Konjugerade dubbelbindningar finns i denna struktur. Vad menas med detta? (se också instuderingsfråga 12 aminosyror och peptider ). 15. Beskriv den principiella uppbyggnaden av sfingosin, ceramid och sfingomyelin. 16. Beskriv den principiella uppbyggnaden av sfingofosfolipider och glykolipider. 17. Gå igenom den principiella strukturen hos olika klasser av lipider och diskutera likheter och olikheter? [18] [Vilka fettsyror oxideras lättast och hur rimmar detta med kostrekommendationer? Reflektera!] 8
Instuderingsfrågor: Cellens kemiska grunder 1. Vad finns det för samband mellan begreppen elektronskal och atomorbital? 2. Vad innebär begreppen valenselektroner och oktettregeln? 3. Vad innebär begreppet elektronegativitet och vad har man för nytta av att känna till olika ämnens relativa elektronegativitet? 4. Var i periodiska systemet hittar man de mest respektive minst elektronegativa ämnena och vad indikerar minnesramsan FONClBrISCH? 5. Inom kemin definieras begreppen oxidation respektive reduktion som e - -avgivning respektive e - -upptagning. Inom oorganisk kemi beskrivs detta ofta som syreupptag resp. syreförlust. Inom naturproduktskemin/biokemin och den organiska kemin delar atomer ofta elektroner och här kan man beskriva oxidation och reduktion på ett annat sätt. (Tips: se t.ex. sid 16-18 i Människokroppens kemi av Ingelman-Sundberg & Persson, Natur o Kultur finns på KIB; se också Alberts et al, 5th ed., sid71-72.) a) Hur? b) Hur beräknas oxidationstal? c) Vid biologiska redox-reaktioner överförs elektroner ofta inte ensamma i vilken form överförs de? 6. Atomer inom en molekyl eller olika molekyler, kan hållas ihop av olika typer av interaktioner/bindningar som dessutom påverkar molekylernas 3D-struktur. a) Namnge och förklara principerna för de olika typerna av intra- respektive inter-molekylära bindningar/interaktioner som förekommer. b) Rangordna dem med avseende på styrka. 7. Kroppen består till 60-70% av vatten varför en förståelse av vattens struktur och egenskaper är av central betydelse. Redogör för vattens struktur och egenskaper! 8. När det gäller styrkan hos jonbindningar så kan denna variera kraftigt beroende på den omgivande miljön (ofta vatten). Vad beror detta på? Vad innebär hydratisering och solvatisering? 9. Du späder en koncentrerad HCl-lösning med destillerat vatten så att slutkoncentrationen blir 1nM med avseende på HCl. Vilket ungefärligt ph har denna lösning? Motivera ditt svar. [10.] De sammanhållande krafterna inom en molekyl är huvudsakligen av kovalent natur. Ickekovalenta bindningar bidrar också till sammanhållning i biologiska makromolekyler och till 3D-strukturen hos molekylen. I den kovalenta bindningen delar atomerna elektroner i enkel, dubbel eller trippelbindningar. För att detta skall kunna ske måste de ursprungliga atomorbitalerna via s.k. hybridisering (teoretiska orbitaler - hybridorbitaler) förändras/ omvandlas till molekylorbitaler. a) Gå igenom de olika typerna av hybridisering som kan förekomma hos kolatomen och tänk på den 3D-utbredning dessa hybridorbitaler har och hur dessa kan hjälpa till att förklara molekylers lokala struktur. b) Studera elektronutfyllnadsdiagrammen för de olika typerna av hybridiseringar och hur energinivåerna förändras vid hybridiseringar. 9
Seminarieuppgift 2 I mag-tarmkanalen bryts proteinerna i födan ned till aminosyror eller korta di- och tripeptider. Efter absorption och transport via blodbanan kan aminosyrorna användas som byggstenar för nya proteiner t. ex. muskelproteiner, hemoglobin, kollagen och alkoholmetaboliserande enzymer, men också för att bilda peptidhormoner (t. ex. sekretin, cholecystokinin samt glukagon och insulin) eller för att bilda stresshormonet adrenalin, som är ett aminosyraderivat. Proteiners funktion är beroende av den tredimensionella strukturen. Denna bestäms i sin tur av vilka bindningar som kan uppstå vilket bestäms av aminosyrorna i proteinkedjan - primärstrukturen. Om förändringar i aminosyrasekvensen uppstår (p.g.a. mutationer) kan detta påverka proteinets struktur och därmed också funktion och förutsättningar att interagera med andra proteiner och molekyler. OBS!! En kort paus (ca. 5min) rekommenderas efter ca. halva seminarietiden. Vilka bindningar håller ihop ett protein exemplifiera med olika aminosyror? Vilka bindningar kan finnas mellan proteinet och miljön, och hur är miljön organiserad (vattenmolekyler, salter, om proteinet är t.ex. ett transmembrant protein)? Redogör för hur olika bindningar stabiliserar hemoglobins (Hbs) struktur; utgå från proteiners strukturnivåer! Hur förändras bindningsmönstret och affiniteten för syre under funktionscykeln för hemoglobin? Vad kallas det sätt varpå syre påverkar hemoglobinets affinitet för andra syremolekyler? Många av kroppens hormoner såsom glukagon och adrenalin binder till membranreceptorer, som karaktäriseras av att de innehåller sju hydrofoba transmembranhelixar (7TM). Diskutera hur ett receptorprotein av 7TM-typ är organiserat med avseende på N- och C-terminal, olika domäner, aminosyrarester i de transmembrana helixarna, sidokedjors orientering. Diskutera sedan hur två tänkta mutationerna kan tänkas påverka struktur och bindning hos ett receptorprotein av denna typ: Met146Asp (en Met i position 146 har ersatts med en Asp i denna position) i den andra transmembrana helixen respektive mutationen His163Tyr i den första extracellulära loopen. 10
För nedbrytning och absorption av våra näringsämnen i matsmältningskanalen behövs många olika biologiska katalysatorer (enzymer) och för uppbyggnad av komplexa molekyler såsom proteiner och DNA, krävs inte bara enzymer utan också energitillförsel. En del av den energi som behövs erhålls från så kallade högenergiföreningar (i första hand ATP), som ofta innehåller bindningar till fosfat (fosfoesterbindningar). Då vissa fosfoesterbindningar, men också andra speciella kovalenta bindningar klyvs, frigörs extra mycket energi som kan användas i enzymatiska reaktioner för att bygga upp komplexa molekyler. Enzymer behöver ofta, men inte alltid, hjälp av olika cofaktorer för att kunna fungera som biologiska katalysatorer. Gå igenom den principiella uppbyggnaden av ATP samt strukturen hos fosfatjonen och pyrofosfat! Gå igenom hydrolysreaktionerna för pyrofosfat, ATP, acylfosfatanhydrid (t.ex.1,3-bisfosfoglycerat [1,3-BPG])! Diskutera skillnader i frigjord energi i relation till faktorer som styr ämnens reaktionsbenägenhet (se bl.a. Alberts sid 80 o 93)! Enzymer behöver ha olika aktivitet i olika celler och vid skilda tidpunkter. Regleringen kan ske på olika sätt. Två viktiga sätt är kovalent modifiering och alloster reglering. Gå igenom principerna för dessa! Vilka andra sätt finns det att reglera enzymaktiviteten? Ett enzyms funktion är att sänka aktiveringsenergin. Detta kan enzymer åstadkomma genom att orientera substrat för reaktion genom bindning i aktiva ytan, genom att stabilisera övergångstillstånd för reaktionen samt genom att tillhandahålla katalytiskt aktiva grupper. Diskutera innebörden av detta med utgångspunkt från ett serinproteas (t.ex. kymotrypsin; se bilaga utdrag ur Branden, C. & Tooze, J., Introduction to protein structure, 1991). 11
Instuderingsfrågor: Aminosyror och proteiner (allmänt) 1. Proteiner är makromolekyler, uppbyggda av repeterande enheter, aminosyror (aminosyrarester). Vilka kemiska grupper består aminosyror av? 2. Varför är aminosyror optiskt aktiva? Förekommer L- eller D-aminosyror i proteiner i människokroppen? [Det finns ett annat system för att indikera optisk aktivitet R/S-systemet. Vad är principen för detta system och vad finns det för fördel med detta system kontra L/D-systemet?] 3. Aminosyror är amfolyter eller s.k. zwitterjoner. Vad menas med dessa begrepp? Beskriv hur aminooch karboxylgruppens laddning varierar med ph. 4. Aminosyrorna brukar indelas i tre grupper efter sidokedjans laddning vid ph 5,5: neutrala, sura och basiska. Vilka aminosyror hör till respektive grupp? OBS! När aminosyrarester ingår i proteiner kan laddningen bli en helt annan beroende på bl.a. induktiva effekter i proteinet som påverkar pka-värdet hos olika funktionella grupper. 5. De neutrala aminosyrorna delas ibland in i två subgrupper: neutrala-hydrofila (polära) och neutralahydrofoba (opolära). Vilka aminosyror passar in i respektive subgrupp? Vilka är grenade? 6. Av de tjugo aminosyror som förekommer i de proteiner vi har i kroppen, saknar vi förmåga att syntetisera åtta. Dessa måste tillföras via kosten (kött, fisk, sojaböner etc.). Vilka är dessa essentiella aminosyror? Av de tio aminosyror som i klassas som essentiella är arginin och histidin inte äkta essentiella. De kan syntetiseras i kroppen men måste tillföras under perioder av kraftig tillväxt, d.v.s. till barn. 7. På vilket sätt skiljer sig prolin från de övriga aminosyrorna? Hur påverkar Pro ofta ett proteins sekundärstruktur? 8. Vilka av de tjugo aminosyrorna innehåller en hydroxylgrupp? 9. Vissa aminsoyror kan modifieras posttranslationellt. Proteinet kollagen innehåller hydroxylerade derivat av två aminosyror. Vilka aminosyror hydroxyleras i kollagen? 10. Vilka två aminosyror innehåller svavel? Jämför deras egenskaper! 11. Vilka är de aromatiska aminosyrorna? En viktig egenskap hos dessa är att de (framför allt Trp) specifikt absorberar UV-ljus vid 280 nm. Därigenom kan proteiner detekteras genom att UV-absorbansen avläses. 12. Binjuremärgshormonerna (adrenalin och noradrenalin) samt sköldkörtelhormonet tyroxin bildas från en aromatisk aminosyra. Vilken? 13. Endast en aminosyra buffrar i närheten av neutralt "fysiologiskt" ph. Vilken? 14. Aminosyrarester förenas genom peptidbindningar. Vilken kemisk förening bildas som biprodukt vid omvandling av två aminosyror till en dipeptid? 15. Ange några karakteristika för peptidbindningen med avseende på struktur och egenskaper. Förklara! Vad är en isopeptidbindning resp. amidbindning? 16. Beskriv -helixen, -pleated sheet och kollagenhelixen. 17. Varför intar ett protein en sekundärstruktur? 18. Vilken sorts bindning stabiliserar sekundärstrukturen? 19. Vad är en "loop"? Vad skiljer en loop från en ß-bend / ß-turn? 20. Nämn några faktorer som kan hindra en polypeptidkedja från att inta en -helixstruktur. 12
21. Vad menas med begreppen supersekundärstruktur (motiv) och domän (modul)? 22. Vad menas med begreppen tertiärstruktur, kvartenärstruktur och subenhet? 23. Vilka aminosyror kan delta i jonbindningar mellan polypeptidkedjor eller mellan protein (enzym) och substrat? 24. Vad skiljer aminosyrornas fördelning i ett membranprotein jämfört med ett lösligt protein? Varför? 25. Vad är skillnaden mellan vätebindningarna i -helix och -pleated sheet? Vad är skillnaden mellan vätebindningar i dessa sekundärstrukturer och vätebindningar som håller ihop tertiär- och kvartenärstrukturer. 26. Vad menas med begreppet hydrofob interaktion? 27. Proteiner brukar ibland indelas i olika grupper - globulära (runda, vattenlösliga), fibrösa (utsträckta, vattenolösliga) och membranbundna. Till vilken grupp hör proteinerna kollagen, myoglobin, ATPsyntas resp. ribonukleas? 28. Hur kan ett globulärt protein vara vattenlösligt trots att primärstrukturen innehåller aminosyror med opolära sidokedjor? 29. Ett protein kan bestå av flera polypeptidkedjor, som kan vara associerade med hydrofoba interaktioner, icke-kovalenta bindningar (vätebindningar, jonbindningar och van der Waals-bindningar) och/eller med kovalenta bindningar (disulfidbryggor),. Hur bryter man dessa olika bindningar? 30. Vad menas med begreppen denaturering och "random coil"? 31. Många proteiner innehåller s.k. prostetiska grupper. Vad är det? 32. Vad är ett apoprotein? 33. Vad är ett holoprotein? 34. En aminosyra kan under translationen omvandlas till selenocystein. Vilken? Vad händer? 35. Vad finns det för fördel med E/Z-systemet kontra cis/trans? [Vad är E respektive Z förkortning för?] 36. I de röda blodkropparna omvandlas högenergiföreningen 1,3-bisfosfo-glycerat till en förening som har stor betydelse för syrgastransporten. Vilken är föreningen och vad har den för funktion? Vad finns det för andra föreningar som kan påverka Hbs affinitet för syre. Vad kallas denna typ av reglering? Diskutera också i detta sammanhang vad som skiljer det fetala från den vuxna individens Hb (HbF vs HbA). Instuderingsfrågor: Enzymer, cofaktorer och vitaminer 1. Vad gör ett enzym ur termodynamisk synpunkt? 2. Redogör för begreppen aktiv yta ("active site") och specificitet hos enzym. Vilka funktionella enheter/komponenter ingår i ett enzyms aktiva yta? 3. Vilka bindningstyper är viktiga vid bindningen mellan enzym och substrat? 4. Vad är den kritiska förutsättningen för härledning av Michaelis-Mentens ekvation? 5. Vad innebär steady-state? 13
6. För beräkning av enzymkinetik används vanligen Michaelis-Mentens- [och Lineweaver-Burk-] ekvationer. Redogör grafiskt för i första hand MM-ekvationen (t.ex. form, ev. skärningar med X- resp. Y-axlar, lutning, K m, V max ). (Kommer praktisk under digestinslaborationen på avsnitt 5.) 7. Vad är K m ofta ett mått på? Vilken enhet/sort anges K m i? 8. Vad menas med turnover rate (omsättningstal)? 9. Vad är skillnaden mellan reversibel och irreversibel inhibering/hämning? 10. Redogör för kompetitiv resp. nonkompetitiv inhibering/hämning. [Hur kan man avgöra vilken typ av hämning som föreligger utifrån ett Lineweaver-Burk diagram?] Hur påverkas K m och V max vid de två olika typerna av hämning? 11. Hur påverkar ph enzymaktiviteten? 12. Hur påverkar temperaturen enzymaktiviteten? 13. Vad är isoenzymer? Ge ett exempel på isoenzymer i glykolysen samt ange hur de skiljer sig åt med avseende på K m. 14. Vad är ett zymogen? 15. Vad är skillnaden mellan produktinhibering och feed-back inhibering? 16. Hur fungerar allostera enzym kinetiskt? Rita! 17. Definiera: a) cofaktor b) prostetisk grupp c) holoenzym d) apoenzym e) coenzym f) vitamin g) spårämne h) metall 18. I vilka två huvudgrupper indelas cofaktorer? Ge ett exempel på vardera typen. 19. Från vilka för människan essentiella ämnen bildas coenzymer? 20. I vilka två huvudgrupper indelas coenzymer? 21. Vilka av enzymens huvudklasser är vanligen beroende av coenzym för att katalysera en reaktion? 22. Redogör i stort för skillnaden mellan de vattenlösliga vitaminerna och deras motsvarande coenzym. 23. Vilket/vilka vitaminer fungerar själva som coenzym? 24. Vilka coenzym bildas från vitaminer genom att dessa bl.a. binder en eller flera nukleotider? 25. Vilka funktioner har cobalaminerna (vitamin B 12 )? 26. Redogör för den principiella uppbyggnaden av de hydrid (elektron+väteatom) överförande coenzymerna. Till vilken del av molekylen överförs hydridjonerna? Vad skiljer dessa coenzymer åt vad avser bindning till enzymet? 27. Vilka funktioner har askorbinsyra? 28. Vår kropp behöver vitaminer och spårämnen av olika slag för sin normala funktion. Vad finns det för samband mellan vitaminer, cofaktorer, enzymer och proteiner? Vilka spårämnen känner Du till och vad kan de tänkas ha för olika funktioner? 14
29. Vad innebär det att ett enzym är ett endopeptidas respektive exopeptidas? 30. I vilka sex huvudklasser indelas enzymer och vilka principiella reaktioner katalyseras av enzymer tillhörande respektive klass? 31. Till vilken enzymklass räknas glukosidaser respektive proteaser? I vilka fyra undergrupper indelas proteaserna? 32. Frågor rörande katalytiska mekanismen hos lysozym. a) Vad innebär enzymmodellen lock and key vilket exemplifieras av lysozym? b) Vilken verkan har lysozym? c) Vad är en katalytisk grupp? d) Hur inverkar ph på de postulerade katalytiska grupperna hos lysozym? 33. Frågor rörande katalytiska mekanismen hos carboxypeptidas A. a) Vad innebär enzymmodellen induced fit vilket exemplifieras av detta enzym? b) Vilken verkan har carboxypeptidas A? c) Vilken cofaktor krävs för carboxypeptidasaktivitet och hur är den bunden? d) Hur deltar cofaktorn i den katalytiska processen? 34. Efter vilka aminosyror klyver digestionsenzymerna trypsin samt kymotrypsin och koagulationsfaktorn trombin? Hur verkar serinproteaser (se bilaga kompendiematerialet till seminarie 2). 35. Ett sätt att reglera enzymaktiviteten är genom protein-protein-interaktioner (proteinaktivatorer/proteininhibitorer) t.ex. G -adenylcyklas). Calmodulin, som är ett kalciumbindande protein, är annat exempel på proteinaktivator. Lactalbumin som behövs i samband med syntesen av laktos (mjölksocker) är ett intressant specialfall bland proteinaktivatorer då det ändrar enzymets specificitet. Studera hur dessa proteinaktivatorer fungerar och diskutera hur de kan tänkas binda och interagera med respektive enzym! Instuderingsfrågor: Cellens reaktioner (energiomvandlingar) Alla livsyttringar är förbundna med energiomvandlingar och för att beskriva och förklara t.ex. biologiska skeenden eller kemiska reaktioner behöver vi termer för att beskriva dessa energiomvandlingar. Detta behandlas inom termodynamiken. 1. Vad är entalpi? Vad kännetecknar en reaktion där H<0? 2. Ge exempel på något som kan ske spontant trots att värme ej avges. 3. Vad är entropi? 4. Hur definieras ändringen i (Gibbs) fria energi för en reaktion? Diskutera hur de ingående komponenterna inverkar på dess storlek. Vad kännetecknar en spontan reaktion? Hur definieras standardtillståndet? 5. Skriv massverkans lag för reaktionen ATP ADP + P i 6. Hur kan reaktioner i cellen ske trots att de har positivt G? 7. ATP är en så kallade högenergiförening, vad avses med detta? Ge exempel på andra högenergiföreningar. Vad menar man med detta begrepp? [8.] Många energiomvandlingar i cellen sker genom överföring av elektroner i en serie redoxreaktioner. Växelmynten i detta fall är ofta redoxparet NAD + /NADH. Redoxpar har en viss elektrodpotential som går att bestämma elektrokemiskt. a) Hur kan man bestämma om en redoxprocess kan ske spontant från de ingående redoxparens elektrodpotentialer? b) Vilken energiomvandling är det som ytterst driver allt liv på jorden? c) Hur går det med livet då alla reaktioner har uppnått jämvikt? 15
Seminarieuppgift 3 I detta seminarium skall vi återanknyta till huvudperson för denna seminarieserie Olga - som stod inför sitt livs utmaning att ändra på sin livsstil eftersom hon både var överviktig och fått diabetes. Efter en lång och ansträngande dag arbetsdag, med missad lunch, skriker Olgas mage av hunger när hon sent om sider kommer hem. Här gäller det att snabbt få i sig något! Det vattnas i munnen när hon öppnar kylskåpsdörren och hon tar fram den grillade kycklingen och den av olivolja glänsande potatissalladen. Hon fixar snabbt till lite grönsakssallad och sen hugger hon in! Borta är alla tankar på att äta förståndigt och balanserat för har man missat lunchen ja då skriker verkligen magen. Grönsakssalladen innehåller ju en massa nyttigheter, dressingen tänker hon inte på. Redan långt innan Olga tar den första tuggan har en rad fysiologiska och kemiska processer startat i hennes kropp. Beskriv vad som sker sekretoriskt vid den cephala, gastriska och intestinala fasen. I svaret ska du ange sekretionsprodukt/-er och deras funktion/funktioner, samt hur sekretionen regleras (påverkande faktorer i födan, innervation, transmittorer, hormoner). Beskriv i detalj digestionen av kolhydrater, fett och proteiner. Ange förekommande enzymers lokalisation, specificitet, substrat och produkter. Hur transporteras och absorberas de olika spjälkningsprodukterna? Vilka gastrointestinala hormoner behövs för normal digestion och vilka är deras viktigaste funktioner? Vilken funktion har gallan? Beskriv det enterohepatiska kretsloppet. TIPS: Tänk igenom vad som händer i matsmältningskanalens olika delar, från munhåla till tunntarm. Klinik att känna till: Muntorrhet och dess konsekvenser för tandstatus, tuggning och sväljning. Begreppen dyspepsi och ulcus ventriculi (magsår). Begreppen maldigestion och malabsorption, innefattande en rad tillstånd där nedbrytning och upptag av näring har rubbats. Laktosintolerans. Begreppet steathorré och dess orsaker. 16
Seminarieuppgift 4 En morgon i januari vaknar Olga upp och säger kostomläggning och dieter i all ära men det verkar inte funka på mig. Jag går ju inte alls ner i vikt och min diabetes finns fortfarande kvar. Nää, nu får det bli andra bullar, så här kan det inte fortsätta. Jag behöver en ordentlig utmaning JAG SKA ÅKA VASALOPPET, minsann! Dagen efter köper Olga nya skidor och pjäxor. Inför loppet börjar hon träna ihärdigt i skogspartiet bakom huset. Träningsrundan som är 10 km börjar med en lång uppförsbacke. När Olga når backkrönet under första träningspasset så känns benen som gummi och hon känner sig vimmelkantig. Efter ett par minuters vila känns det bättre. Orsaken till att Olga blev vimmelkantig beror på att blodsockernivån var låg. Beskriv vilka hormoner som deltar i regleringen av blodsockernivån. Ange för varje hormon varifrån och när de insöndras, cellulära effekten (receptortyp och "second-messenger" systemet [detaljer på seminarium 6]) vilka metabola processer som påverkas (hämmas respektive stimuleras) samt dess effekt på blodsockernivån. Hur sker upptaget av glukos i kroppens olika organ? Varför känns benen som gummi? Beskriv bildningen av den förening som gör att benen känns stumma. Utgå från glukos och beskriv i detalj alla reglerande steg. Vad heter enzymerna som katalyserar de huvudreglerande stegen? Hur regleras enzymerna? Hur mycket energi bildas i denna metabola process under anaeroba respektive aeroba förhållanden? Efter ett par minuters vila steg blodsockernivån och Olga kunde fortsätta att åka. En källa till blodglukos är glykogen (som behandlas i seminarium 3) och en annan är nybildning av glukos från laktat. Beskriv hur det laktat som bildas i muskulaturen kan omvandlas till glukos. Vilka organ är inblandade i processen? Beskriv i detalj vilka steg som skiljer glukoneogenesen från glykolysen? Identifiera de energikrävande stegen i glukoneogenesen samt gå igenom hur mycket energi det kostar att bilda en molekyl glukos från laktat? Vilken effekt har insulin/glukagonkvoten på glykolysen och glukoneogenesen? 17
Instuderingsfrågor 1. Hur många gram kolhydrater, lipider och proteiner innehåller ungefär en genomsnittlig västerländsk diet per dygn? 2. Efter en måltid insöndras insulin. Var bildas detta hormon? Vilka är de viktigaste målorganen? Via vilken typ av receptorer och vilka signaltransduktionsmekanismer verkar insulin? Vilka metabola processer hämmas eller stimuleras, effekt på blodsockret? 3. Hur påverkar insulin glukosupptaget i: a. Hjärnan b. Musklerna c. Levern d. Fettväven [4.] Glukosupptaget i ögats lins är oberoende av insulin. På vilket sätt kan detta ha betydelse för uppkomsten av starr vid diabetes? [Se också instuderingsfrågor till seminarium 11]. 5. Insulin reglerar blodsockret genom att stimulera glukosupptaget i perifer vävnad och genom att påverka såväl aktiviteten som koncentrationen av nyckelenzymerna i vissa metabola processer. Jämför mekanismer och tidsförlopp för dessa tre principiellt olika effekter. 6. Beskriv en klinisk undersökningsmetod med vars hjälp man kan testa en patients förmåga att reglera sitt blodsocker. 7. Hur påverkar insulin upptaget av aminosyror, resp. fettsyror i perifer vävnad? 8. Var i cellen äger glykolysen rum? 9. Glykolysens första steg innebär en fosforylering av glukosmolekylen, varvid glukos-6-fosfat bildas. Denna förening är en av knutpunkterna i intermediärmetabolismen. Reaktionen kan katalyseras av två olika enzymer. Vilka är dessa? Hur skiljer sig enzymerna åt vad gäller förekomst i kroppen, substratspecificitet och affinitet för glukos? Under vilka betingelser är det ena respektive andra enzymet aktivt? 10. Glukos-6-fosfat kan, förutom att metaboliseras vidare i glykolysen, även omvandlas via två andra viktiga syntesvägar. Vilka? 11. Även glykolysens tredje steg är en fosforylering. Varifrån kommer fosfatgruppen? De båda fosforyleringsreaktionerna leder bl.a. till frisättning av en stor energimängd i form av värme. Varför sker värmeutveckling? Vad får detta för konsekvens vad gäller jämvikten hos reaktionerna? 12. I glykolysen sker klyvning av en hexosbisfosfat till två triosmonofosfater. Vad heter enzymet som katalyserar denna reaktion? Namnge reaktionens substrat och produkter. 13. Reaktionen kan sägas utgöra ett "vägskäl", eftersom de båda triosfosfaterna kan omvandlas vidare via två olika metabola vägar. Den ena av dessa är naturligtvis glykolysen, men vilken är den andra? 18
14. De båda triosfosfaterna kan överföras i varandra. Förklara betydelsen av detta. 15. I glykolysen förekommer två s.k. substratfosforyleringar ("substrate-level phosphorylations"). Vad menas med detta begrepp (jämför oxidativ fosforylering)? Vilka reaktioner åsyftas? Vad är den fysiologiska betydelsen av dessa reaktioner? 16. En substratfosforylering förutsätter nedbrytning av en s.k. högenergiförening. Förklara begreppet. Vilka är högenergiföreningarna i glykolysen? 17. I röda blodkroppar omvandlas 1,3-bisfosfoglycerat (1,3-BPG) till en förening som har stor betydelse för syrgasavgivningen. Vilken är föreningen och vad har den för funktion? Hur bildas och nedbryts föreningen? 18. Under aeroba förhållanden sker en nettosyntes av NADH i glykolysen. I vilken reaktion bildas NADH? 19. Sammanfatta glykolysens energiförhållanden genom att besvara följande: a. Hur många ATP konsumeras per oxiderad molekyl glukos? b. Hur många ATP genereras per oxiderad molekyl glukos? c. Hur många reducerade coenzymer produceras under aeroba förhållanden per oxiderad molekyl glykos? Hur många ATP kan erhållas per molekyl glukos genom återoxidation av dessa ekvivalenter? d. Vilken blir den maximala nettoproduktionen av ATP i glykolysen per molekyl glukos under aeroba respektive anaeroba förhållanden? 20. Den metabola regleringen av glykolysen är koncentrerad till tre reaktionssteg. Vilka är reaktionerna och vad har de gemensamt? Vilka enzymer katalyserar dessa reaktioner? 21. Vid reglering av glykolysen förekommer såväl feed-back -hämning som feedforward -stimulering. Vilket enzym regleras a. med hjälp av feed-back-hämning? b. via feed-forward-stimulering? c. vilka allostera effektorer utövar resp. effekt? 22. Fruktos-2,6-bisfosfat har stor betydelse för regleringen av glykolysen. Beskriv syntesen av fruktos-2,6-bisfosfat. Vilket enzym katalyserar bildningen? Hur regleras enzymaktiviteten hormonellt? 23. Vilket enzym aktiveras av fruktos-2,6-bisfosfat? Enzymets aktivitet regleras allostert också av andra effektorer. Vilka? 24. Vid anaerob glykolys bildas laktat. Vad är syftet med omvandlingen av pyruvat till laktat? 25. Vad heter enzymet som omvandlar pyruvat till laktat? Enzymet används vid klinisk diagnostik. Hur? 19
26. I glukoneogenesen omvandlas olika metaboliter till glukos. När är denna process aktiv? I vilka organ förekommer glukoneogenesen huvudsakligen? 27. Vilka är de viktigaste substraten för glukoneogenesen? 28. Markera i ditt metabola schema de steg i glukoneogenesen som skiljer processen från en omvänd glykolys. 29. Hur omvandlas laktat till fosfoenolpyruvat? 29. Vilka är de energikrävande stegen i glukoneogenesen? Hur många ATP konsumeras vid omvandlingen av två molekyler laktat till en molekyl glukos? 30. Hur regleras glukoneogenesen, allostert resp. hormonellt? Hur verkar hormonerna (signaltransduktionsmekanism)? 31. Fruktos-2,6-bisfosfat har inte bara betydelse för glykolysens reglering, utan även för regleringen av glukoneogenesen. Förklara! 32. Varför är det omöjligt att erhålla en nettosyntes av glukos från acetyl-coa (d.v.s. omvandla fettsyror till glukos)? 33. Vad kallas den metabola cykel som bidrar till musklernas förmåga att producera energi under anaeroba förhållanden och hur är denna cykel uppbyggd? Processen har större betydelse för en annan celltyp i kroppen. Förklara! 34. Hur påverkas glukoneogenesen av alkoholintag? Motivera (ledtråd finns i svaret till fråga 35)! 35. Beskriv metabolismen av etanol. Vilka enzymer och coenzymer deltar? 36. Vad händer med slutprodukten som bildas efter de två första stegen i alkoholmetabolismen? 20
Seminarieuppgift 5 Olgas träning fungerar allt bättre och bättre och första motlutet på träningsrundan forceras nu utan större besvär. Efter 20 minuters åkning kommer Olga in i andra andningen och det hela känns ganska behagligt när hon susar fram i spåret. Hon fantiserar om att hon snart kommer fram till Oxberg och får blåbärsoppa. Olgas muskulatur förbränner nu glukos effektivt och hon har ingen känning av mjölksyra i benen. Vilka produkter bildas när glukos förbränns fullständigt? Nedbrytningen av glukos sker nu också i mitokondrien. Hur transporteras pyruvat in i mitokondrien? Hur är pyruvatdehydrogenas och pyruvatkarboxylas uppbyggda? Vilka vitaminer ingår i respektive enzymkomplex? Redogör för citronsyracykelns uppbyggnad, reglering samt bildning av energirika föreningar. Var är enzymerna, som deltar i citronsyracykeln, lokaliserade i mitokondrien? Vad händer med de två kolatomer som härstammar från acetyl-coa under citronsyracykelns första respektive andra varv (se metabola schemat)? NADH och FADH 2 som bildas i citronsyracykeln oxideras (återreduceras) i elektrontransportkedjan. Hur kan NADH som bildas under glykolysen transporteras in i mitokondrien? Beskriv principen och uppbyggnaden av elektrontransportkedjan. Oxidativa fosforyleringen är en komplex process som är kopplad till elektrontransportkedjan. Beskriv principiellt den så kallade kemiosmotiska hypotesen. Vilka steg i elektrontransportkedjan är kopplade till den oxidativa fosforyleringen? Hur många ATP bildas vid fullständig förbränning av glukos? Vilken är den hastighetsbegränsande faktorn för elektrontransportkedjan/oxidativa fosforyleringen? Vilken potentiell toxisk produkt bildas i elektrontransportkedjan? 21
Instuderingsfrågor 1. Huvuddelen av cellens energiproduktion sker i mitokondrien. Karakteristiskt för denna cellorganell är att den omges av dubbla membraner. Speciellt det inre mitokondriemembranet är av avgörande betydelse för mitokondriens funktion. Beskriv detta membran. Hur skiljer sig membranet från andra membraner vad gäller struktur och permeabilitet? Vilka ämnen kan passera membranet och hur sker passagen? 2. Den fortsatta oxidationen av pyruvat till CO 2 och H 2 O sker i mitokondrien. Hur transporteras pyruvat in i denna cellorganell? 3. Pyruvat kan slussas in i citronsyracykeln via olika vägar. Vilka är dessa och vilken subcellulär lokalisation har reaktionerna? 4. Vad heter multienzymkomplexet som katalyserar den oxidativa dekarboxyleringen av pyruvat till acetyl-coa. Hur många enzymer ingår (namnen på dessa behöver inte kunnas) i komplexet? Vilka coenzymer deltar i de olika delreaktionerna? Vilka slutprodukter bildas i reaktionen? 5. Pyruvat kan också omvandlas till en dikarboxylsyra. Vilken? Vilket enzym katalyserar reaktionen? Vilket coenzym deltar? Beskriv reaktionen. 6. Den intramitokondriella omvandlingen av pyruvat står under metabol kontroll. Hur regleras aktiviteten hos de två ovan beskrivna enzymerna? 7. I citronsyracykelns första steg sker en kondensation (sammanslagning) av två föreningar. Vilka? Vad gäller för de två substratmolekylernas respektive produktens förmåga att passera mitokondriemembranet? 8. Under den fortsatta metabolismen i citronsyracykeln avspjälkas CO 2 i två oxidativa dekarboxyleringsreaktioner. Vilka enzymer katalyserar dessa reaktioner? En av dessa två reaktioner är analog till bildningen av acetyl-coa från pyruvat. Vilken? 9. I citronsyracykeln sker bildning av reducerade coenzymer i fyra reaktioner. Vilka är reaktionsstegen? Vilka coenzymer används vid de olika red-ox reaktionerna? 10. I ett av stegen i citronsyracykeln sker en substratfosforylering. Ange substrat och produkter i denna reaktion. Vad skiljer detta substratfosforyleringssteg från dem som sker i glykolysen? Varifrån kommer den nödvändiga energin? 11. Varför kan inte citronsyracykeln förlöpa baklänges? 12. Hur regleras citronsyracykelns aktivitet? 13. Vilket samspel föreligger mellan glykolysen och citronsyracykeln för regleringen av glukosnedbrytningen? 14. NADH som bildas i cytoplasman kan inte passera det inre mitokondriemembranet. Hur kan NADH-syntes i t.ex. glykolysen ändå ge upphov till substrat för elektrontransportkedjan? Redogör för de skyttelmekanismer som används för detta ändamål. 22
15. Elektrontransportkedjan eller andningskedjan, som processen också kallas, är uppbyggd av ett antal red-oxreaktioner. I dessa deltar, förutom NADH och FADH 2, också FMN, cytokromer, FeS-proteinkomplex ("non-heme iron proteins") och coenzym Q. Beskriv dessa föreningar kortfattat. 16. Hur är de ingående red-oxparen organiserade i elektrontransportkedjan? Vad har detta för betydelse för processens energiförhållanden? 17. Varför är de många red-oxreaktionerna att föredra jämfört med en direkt reaktion mellan väte och syre? 18. Elektrontransportkedjan katalyseras av en rad enzymkomplex. Vilka är dessa och var är de lokaliserade? 19. Hur möjliggörs överföringen av elektroner mellan enzymkomplexen? 20. Hur används den i red-oxreaktionerna frisatta energin och vilket samband har detta med den oxidativa fosforyleringen? 21. Hur påverkas elektrontransportkedjan och den oxidativa fosforyleringen av oligomycin, respektive 2,4-dinitrofenol? 22. Hur påverkas elektrontransportkedjan och den oxidativa fosforyleringen av uncoupling protein (UCP1) termogenin och i vilken typ av vävnad hittar vi detta protein? 23. Vad blir energiutbytet (enligt Champe, Harvey & Ferrier) vid oxidation av en molekyl NADH resp. en molekyl FADH 2 via andningskedjan? Är dessa angivelser helt säkra, eller finns det alternativa beräkningar (se t.ex. Berg et al)? Vilka skillnader finns det i energiutbytet mellan cytosolärt resp. mitokondriellt genererade coenzymer? 24. FADH 2 som bildas i glycerofosfatskytteln och i den s.k. -oxidationen kopplar ej till komplex två i elektrontransportkedjan till skillnad från det som bildas i citronsyracykeln. Hur kopplar de förstnämnda FADH 2 -molekylerna till elektrontransportkedjan? 23
Seminarieuppgift 6 Olga tränar intensivt flera gånger i veckan. Olga har läst att man förbränner mycket kolhydrater under långvarig fysisk ansträngning och hon äter därför massor av kolhydrater i form av spagetti och ris (hon kolhydratladdar ). Mellan träningspassen omvandlas glukos till glykogen i Olgas kropp. Hur är glykogen uppbyggt? Redogör för nysyntesen av glykogen. Hur länge räcker Olgas glykogendepåer under Vasaloppet? 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 signaltransduktionsmekanism (från receptorprotein till målenzym). Fruktos och galaktos kan också omvandlas till glukos och därigenom bidra till cellens energiförsörjning. Beskriv omvandlingen av dessa monosackarider till glukos. Vid bildning av fettsyror behöver vi NADPH. Redogör för den kolhydratmetabola process som genererar NADPH. Vilka andra viktiga funktioner har processen? Kan NADPH bildas på något annat sätt? 24
Instuderingsfrågor 1. Kroppens stora bränslereserv är triacylglyceroler (triglycerider). Varför är det nödvändigt att också lagra glykogen? 2. Vilka vävnader i kroppen innehåller mest upplagrat glykogen? Vilket organ kan innehålla den högsta glykogenkoncentrationen? I vilken vävnad lagras den största mängden glykogen? 3. Vilket glukosderivat används vid glykogensyntesen? Beskriv bildningen av detta derivat från fritt glukos. Varför är den sista reaktionen i syntesvägen irreversibel? 4. Vilka substrat använder glykogensyntaset? Beskriv den katalyserade reaktionen. 5. Vilken betydelse har glykogenin för glykogenbildningen? 6. Vilka två typer av glykosidbindningar påträffas i glykogenet? Hur går greningen av glykogenmolekylen till och vilket enzym deltar? 7. Varför är det fysiologiskt fördelaktigt att glykogenet är grenat? 8. Vilket enzym katalyserar den initiala nedbrytningen av glykogenmolekylen? Vad kallas denna typ av klyvning och vilka blir produkterna? 9. Hur omvandlas det bildade glukosderivatet till fritt glukos? Varför fungerar inte denna omvandling hos barn med von Gierke s sjukdom? 10. Enzymet i fråga 8 kan inte spjälka hela glykogenmolekylen. Förklara! 11. "Debranching enzyme" (spjälkar av grenarna) är ett bifunktionellt enzym, d.v.s. har två olika aktiviteter. Vilka? Beskriv enzymets funktion. Vilka blir produkterna vid detta enzyms verkan? 12. Hur regleras glykogenolysen hormonellt, resp. allostert? 13. Hur regleras glykogensyntesen hormonellt, resp. allostert? 14. Regleringen av glykogenesen och glykogenolysen är samordnade, vilket du säkert redan har upptäckt. Hur påverkas således glykogenomsättningen av hormonerna insulin, glukagon och adrenalin? Beskriv signaltransduktionsmekanismerna för respektive hormon. 15. Fruktos och galaktos är monosackarider som också metaboliseras via glykolysen. Beskriv omvandlingen av dessa socker till glykolysintermediärer? Ärftliga rubbningar i metabolismen av fruktos och galaktos ger upphov till sjukdomar. Vad vet du om detta? Redogör kortfattat! 16. Glukuronsyra spelar en viktig fysiologisk roll i kroppen. Vilken funktion har föreningen? Redogör för syntesen från glukos. 25