DFM1-tentamen 09 08 24 Frågorna i tentamen är nivåindelade enligt kursplanens målmodell. Enligt målmodellen består kursens examination av följande nivåer: - enkel (till exempel känna till, identifiera eller namnge) - sammansatt nivå (till exempel redogöra för, beskriva) - relaterad (till exempel analysera, relatera eller varför -frågor) - utvidgad (t.ex. teoretisera, analysera) Största andelen av frågorna är på de två första nivåerna. Läs noga frågorna innan du börjar svara. Du måste få 60 % av tentamens 80 poäng för att bli godkänd på tentamen. Frågor i anslutning till artikeln "A novel 23-bp deletion in exon 5 of the p53 tumor suppressor gene, J Mol Med (1999) 77: 686 689 [12 p] 1 (3p) Sporadiska mutationer som beskrivs i denna artikel kan uppstå under olika processer som en cell normalt genomgår. Baserat på informationen i artikeln, beskriv kortfattat två olika processer som kan ha orsakat denna mutation. Baserat på det som du har lärt dig på kursen, namnge två olika sätt för cellen att reparera olika skador eller förändringar i DNA. Vad hade konsekvensen för proteinet kunnat bli om mutationen i genen för p53 istället hade introducerats i en intronsekvens? Svar: Enligt artikeln kan mutationen ha introducerats under replikationen, som resultat av en palindromisk struktur (hairpin, Figur 2b). Mutationen kan också ha orsakats av problem med DNA-syntesen (DNA-polymeras) eller av kemiska mutagener. Celler kan reparera skador på ett flertal olika sätt, till exempel "mismatch repair", "base excision repair" eller "nucleotide excision repair". Mutation i en intron behöver inte ge någon konsekvens för proteinfunktion, om mutationen inte påverkar splitsningen. Man kan eventuellt tänka sig att mikrorna eller andra regulatoriska sekvenser är lokaliserade till intronet, vilket skulle kunna påverka uttrycket av genen och därmed proteinet. 2 (1p) Kan mutationen ha ärvts av kvinnans barn? Motivera ditt svar. Svar: Enligt artikeln är mutationen somatisk, därmed finns inte mutationen i kvinnans könsceller. 3 (2p) Figur 2b visar en hairpinstruktur som skapas av en palindromisk sekvens. Palindromiska sekvenser är DNA-sekvenser som basparar med sig själva. I detta fall består den palindromiska sekvensen av ett flertal C- och G-nukleotider. Vad kan man säga om stabiliteten av hairpinstrukturen om den hade bestått mestadels av A- och T-nukleotider, jämfört med C och G?
Svar: C och G basparar med tre vätebindningar, och A-T bindningarna består endast av två vätebindningar. Dessa visas på Figur 2b. Därmed är hairpinstrukturer bestående av G-C bindningar troligtvis mer stabila än hairpins som mest består av A-T-bindningar. 4 (2p) Tabell 1 visar exempel på olika cancertyper och deletionsmutationer i p53 som man har identifierat i dessa. Baserat på det som du har lärt dig på kursen, skapa en hypotes om när under patientens tillväxt en sådan mutation har uppstått om man hittar en och samma mutation i ett flertal organ eller vävnader hos en patient - till exempel i ovarierna, bröst, colon samt lungorna. Svar: Om man hittar en och samma mutation överallt i kroppen, eller i flera olika organ och vävnader som har sitt ursprung i olika delar av embryot (till exempel i olika groddblad), är det ett tecken på att den somatiska mutationen har skett relativt tidigt under patientens utveckling. Om man däremot hittar mutationen endast på ett begränsat ställe, kan det tyda på att mutationen har skett relativt sent. 5 (4p) I artikeln påstår forskarna att den muterade formen av p53 innehåller flera basiska aminosyrarester än den omuterade formen i regionen 147-171 och att denna skillnad skulle kunna påverka sekundärstrukturen i L2- loopen. Med utgångspunkt från artikeln, och den bifogade tabellen med förklaring på enbokstavsbeteckningarna (se fig. 1.7 från CHF), ge en motiverad förklaring till forskarnas påstående om att det skulle finnas flera basiska aminosyror i de muterade p53-proteinet än i motsvarande område i det omuterade proteinet. Vilka är de basiska aminosyraresterna i den aktuella delen av det muterade proteinet respektive i det omuterade proteinet? Stämmer det andra påståendet att sekundärstrukturen i L2-loopen skulle kunna påverkas av antalet basiska aminosyrarester? Förklara hur detta skulle kunna ske med angivande av olika nya bindningstyper som skulle kunna uppstå med hjälp av de nya basiska aminosyraresterna. Ge också två principiellt olika exempel på aminosyrarester som de nya basiska aminosyraresterna kan interagera med. Svar: I den aktuella regionen (aminosyrararest 147-171) finns det i p53 tre basiska aminosyrarester: två argininrester (R) samt en lysinrest (K). I motsvarande region i den muterade formen finns också två R, men i andra positioner, K-resten saknas, men i stället finns det tre histidinrester (H), vilket sammantaget gör proteinet mera basiskt just i denna region. De basiska aminosyraresterna kan delta i jonbindningar till de sura aminosyraresterna Asp och Glu, men kan också binda till andra neutrala polära aminosyrarester (t.ex. Tyr, Thr, Ser, Asn, Gln) med hjälp av vätebindningar. 2
ALLMÄNNA FRÅGOR PÅ KURSINNEHÅLLET (18p) 6 (1p) Vad är skillnaden mellan 2-klorodeoxyadenosin och 2'-kloro-2',3'- dideoxyadenosin? Svar: I första fallet sitter det en kloratom på atom nr 2 i purinskelettet (som i övrigt är adenin) och sockret är en deoxyribos. I det andra fallet är adenin intakt och sockret är "deoxy" i både 2'- och 3'-position och en kloratom sitter dessutom på 2'-kolet. 7 (2p) Redogör med angivande av samtliga substrat och produkter samt eventuella coenzymer för reaktionen som katalyseras av enzymet metioninsyntas. Ge dessutom en motiverad förklaring till varför purinsyntesen kan komma att påverkas vid nedsatt funktion av det aktuella enzymet. Svar: L-homocystein + N 5 -metyltetrahydrofolat L-metionin + THF; THF behövs för att bilda N 10 -formyl-thf. Denna form av THF bidrar med två kol till purinskelettet. 8 (2p) En av intermediärerna i citronsyracykeln (TCA-cykeln) bidrar tillsammans med en annan molekyl till samtliga kol i hem. Redogör för den reaktion i hemsyntesen där denna TCA-cykel-intermediär ingår som ett av substraten med angivande av samtliga substrat, produkter och enzymnamn. Beskriv också hur den aktuella reaktionen regleras endogent. Svar: Glycin+succinylCoA ALA (delta-aminolevulinsyra) + CoA + CO 2 (enzym: ALAsyntas [coenzym pyridoxalfosfat]). Reaktionen regleras genom feedback-inhibering av hem. 9 (1p) De flesta nyfödda i Sverige testas för en enzymdefekt som kan leda till fenylketonuri. Redogör för den reaktion som katalyseras av det aktuella enzymet som man vanligen testar för (samtliga substrat, produkter, och enzymnamn skall anges). Svar: Phe + O 2 + TetraHydroBiopterin Tyr + DiHB (enzymnamn: Phe-hydroxylas). 10 (3p) AcetylCoA är en nyckelintermediär i metabolismen, som bland annat metaboliseras i citronsyracykeln (TCA-cykeln). Redogör för de två reaktionerna i TCAcykeln där kolen i acetylcoa elimineras med angivande av samtliga substrat, produkter, enzymnamn och coenzymer. Beskriv också hur dessa två enzymsteg hämmas. Svar: Isocitrat + NAD + -ketoglutarat +CO 2 + NADH + H + (enzymnamn: isocitratdh; feedback inhiberas av ATP och NADH). -ketoglutarat + NAD + + CoA succinylcoa + CO 2 + NADH + H + (enzymnamn: - ketoglutaratdh; feedback inhiberas av ATP och NADH [ -kgdh kräver också coenzymerna TPP, Liponsyra och FAD]). 3
11 (3p) Åtminstone tre olika FAD-beroende reaktioner överför på olika sätt elektroner till coenzym Q i elektrontransportkedjan och kan därmed bidra till energibildning. Redogör för två av dessa reaktioner (valfritt vilka) med angivande av samtliga substrat, produkter och enzymnamn och coenzymer. Ge dessutom en förklaring till varför det utvinns mindre energi i andningskedjan när FADH 2 oxideras jämfört med när NADH oxideras. Svar: Succinat + FAD fumarat +FADH 2 (enzymnamn: succinatdh) AcylCoA + FAD enoylcoa + FADH 2 (enzymnamn: acylcoadh) Glycerol-3-fosfat + FAD DHAP + FADH 2 (enzymnamn: glycerofosfatdh bundet till mitokondriemembranet). Det utvinns mindre energi från FADH 2 än från NADH då elektronerna bara passerar två av andningskedjans komplex som bidrar till att pumpa vätejoner till det intermembranösa rummet. 12 (2p) Redogör för det fetala hemoglobinets uppbyggnad med användande av strukturnivåer, proteinkemiska begrepp och eventuella cofaktorer. Förklara också varför det fetala hemoglobinet har högre affinitet för syrgas än det adulta. Svar: Det fetala hemoglobinet är ett globulärt protein uppbyggt av fyra subenheter (2 och 2 ). Varje subenhet består av 8 stycken -helixar och i en hydrofob ficka i varje subenhet finns en hemgrupp komplexbunden till en proximal histidin. [Varje proteinkedja består av drygt 100 aminosyrarester.] Det adulta hemoglobinet saknar -subenheterna och har i stället två -subenheter, som innehåller ett antal basiska aminosyrarester som m.h.a. jonbindningar kan binda den allostera regulatorn 2,3-BPG. 2,3-BPG, som är en sur molekyl, sänker affiniteten för syrgas vid inbindning till de basiska aminosyraresterna i -kedjorna. Vid inbindning blir hela HbAs struktur mera kompakt. 13 (2p) S-adenosyl-metionin (SAM) behövs vid syntesen av en specifik fosfolipid. Redogör (ord och enkel skiss) för den principiella uppbyggnaden av den fosfolipid som bildas i den reaktion som involverar SAM. Ange vilken kemisk förändring som sker i reaktionen. Ange två funktioner för den aktuella fosfolipiden. Svar: Fosfatidyletanolamin omvandlas till fosfatidylkolin (FK; Lecitin) genom att tre väten i etanolamin ersätts med motsvarande antal metylgrupper som doneras av SAM som då omvandlas till SAH. FK fungerar som membrankomponent både på utsidan och på insidan av cellmemebranet. FK utsöndras dessutom i till tarmlumen och hjälper till vid emulgeringen av fett. Skiss visande ett glycerolskelett, som med esterbindningar binder två fettsyror och med en fosfoesterbindning binder en fosfatgrupp och alkoholen kolin. 14 (1p) Vad menas med holokrin sekretion? Var i kroppen och i vilka körtlar förekommer denna typ av sekretion? Svar: Hela (gr. holo = hel) cellen fylls med sekret, cellen dör och sekret utsöndras. 4
Förekommer i hudens talgkörtlar som ligger i anslutning till hårfolliklar. 15 (1p) Kunskap om basalmembranets struktur och skick är av stor betydelse för bedömning av tumörers farlighetsgrad och därmed för patientens prognos. Ett intakt basalmembran begränsar tumörcellernas spridning, medan ett skadat och eroderat basalmembran ökar risken för spridning av tumörceller till underliggande vävnad och lymfkärl. Vad kallas de två lager som påträffas närmast under epitelcellerna och vilka substanser finns i hög halt inom respektive lager? Svar: Lamina lucida (glykoproteinet laminin) och lamina basalis (proteinet kollagen IV). 5
Tema 1: Diarré. (25p) Diarrésjukdomar av olika genes (orsak) karakteriseras av många lösa avföringar per dag. Globalt drabbas vi i genomsnitt 1,5 gånger/år av så kallad enterokolit (inflammation i tunn- eller tjocktarm), som leder till diarré vilket placerar diarré på andra plats i sjukdomsligan efter vanliga förkylningssjukdomar. Därutöver finns det många andra orsaker till diarré varför medelincidensen i realiteten nog är ännu större. Det finns många olika orsaker till diarré, men oavsett vilken denna är, beror diarré på en relativ obalans mellan sekretion och absorption från matsmältningskanalens lumen. Man kan identifiera flera grundorsakar till diarré: a) sekretoriskt betingad diarré beroende på skadad slemhinna eller toxiner, b) osmotisk förorsakad diarré på grund av till exempel Laktulos som intas mot förstoppning, c) malabsorption som beror på olika problem med digestionen och absorptionen problem som dessutom kan ge upphov till steatorré, d) förändrad motilitet på grund av kirurgiska eller neurologiska orsaker. Därutöver kan nämnas att många läkemedel liksom hälsokostpreparat (till exempel ginseng) kan förorsaka diarré genom att de påverkar digestionsprocessen, bakteriefloran eller sekretion och motorik i magtarmkanalen. Tumörer såsom carcinoid och VIPom, kan också på olika sätt påverka de sekretoriska och absorptiva processerna och leda till diarré. En inte helt ovanlig komplikation i samband med vissa diarréer är blodtillblandning vilket kan ses till exempel vid järnförgiftning, men också i samband med olika inflammatoriska sjukdomar såsom Mb Chron och Ulcerös kolit. Eftersom grundorsaken till diarré kan vara så olika bör tillståndet nästan alltid utredas i detalj om diarrén inte upphör inom något eller några dygn speciellt som diarré i värsta fall kan förorsaka dehydrering och sådana metabola, osmotiska och elektrolytiska rubbningar och att det leder till döden. Speciellt små barn är mycket utsatta för diarré och när det gäller dessa bör man vara mycket uppmärksam redan under det första dygnet. Huskurer mot diarré är bland annat blåbär och hallon och på läkemedelssidan är det olika opioidanaloger såsom loperamid, som är vanliga. Opioider påverkar både motorik och sekretion och ökar sammandragningen i ändtarmens slutmuskel. 16 (4p) Steatorré beror på störningar i nedbrytning eller absorption av fett. Redogör för hur nedbrytningen och processning av triacylglyceroler (TAG), samt kolesterolestrar och kolesterol, sker i matsmältningskanalens olika delar. Ange enzymer och andra faktorer som påverkar nedbrytningen av TAG och vad som bildas i de olika delarna av matsmältningskanalen. Redogör också för hur processerna styrs av olika hormoner samt hur olika nedbrytningsprodukter och lipider absorberas in i tarmepitelcellen. Svar: Munhålan och esofagus: Ingen nedbrytning av kvantitativ betydelse (det finns dock ett s.k. tunglipas). Magen: Här sker en mekanisk söderdelning, utsöndring av fosfolipider och ett gastriskt lipas från huvudceller. Detta gastriska lipas anses bryta ned ca 10-20% av TAG. Duodenum och jejunum: I duodenum ändras ph från surt till lätt basiskt, från pankreas utsöndras pankreaslipas + colipas i inaktiv form, kolesterylesteras och PLA 2, via gallan 6
tillförs kolesterol, gallsalter och fosfolipider som omsluter och emulgerar fettet till mindre aggregat s.k. miceller. Till micellerna binds pankreaslipaset m.h.a. aktiverat colipas. Pankreaslipaset bryter ned ca 80 % av TAGs till 2-MAG + 2FA. Kolesterylesteraset bryter ned kolesterylestrar till kolesterol och eftersom det är ett ospecifikt enzym kommer ca 20 % av 2-MAG att brytas ned vidare till glycerol + FA. Micellerna rullar efter tunntarmsväggen och successivt absorberas lipidinnehållet genom fri diffusion och/ faciliterad transport (FATP- främst långa fettsyror och kolesteroltransporttörer-kolesterol). Peptidhormonet gastrin stimulerar syrasekretionen i magen. Peptidhormonet sekretin stimulerar bikarbonatsekretionen från pankreas. Peptidhormonet CCK stimulerar enzymutsöndringen från pankreas, gallblåsekontraktionen samt relaxationen av sfinkter Oddi. 17 (3,5p) Redogör för processningen av de absorberade nedbrytningsprodukterna i epitelcellerna samt hur olika de olika lipiderna (oprocessade och processade) lämnar epitelcellen. Svar: Korta fettsyror ( 12 kol) liksom glycerol processas huvudsakligen inte, utan exporteras vidare till blodbanan (v. porta) i oförändrad form. Långa fettsyror (FA) aktiveras m.h.a. olika acylcoa-syntetaser: FA + CoA + ATP acylcoa + AMP +PPi 2-MAG + 2 acylcoa TAG + 2CoA (enzymnamn: acyltransferaser) kolesterol + acylcoa kolesterylestrar De hydrofoba TAG-molekylerna samt kolesterylestrar omges av ett amfifilt skikt av fosfolipider (lecitin), innehållande lite kolesterol, samt apolipoprotein B48. Dessa lipoproteinaggregat exporteras som kylomikroner till det lymfatiska systemet. 18 (2,5p) En del av de nybildade produkterna kan förutom att transporteras ut ur epitelcellen också transporteras till mitokondriematrix för att bidra till cellens egen energiförsörjning. Redogör i detalj (substrat, produkter, enzym och andra proteiner som eventuellt är involverade) för transporten av dessa produkter in i mitokondriematrix. Svar: De långa aktiverade fettsyrorna (acylcoa) kan med hjälp av karnitinskytteln tas upp i mitokondriematrix: acylcoa + karnitin acylkarnitin + CoA (enzymnamn: CAT1) antiport av acylkarnitin och karnitin m.h.a. av ett translokas acylkarnitin + CoA acylcoa + karnitin (enzymnamn: CAT2). Oförmåga att metabolisera intagna mängder av laktos leder till laktosintolerans med diarré som följd. Om en laktosintolerant individ undviker intag av laktos får man inte i sig tillräckliga mängder av galaktos. Detta är normalt inget problem eftersom glukos kan omvandlas till galaktos. 7
19 (2p) Redogör för hur glukos kan omvandlas till aktiverat galaktos, som behövs för bland annat syntes av laktat, men också i många andra biologiska produkter. Samtliga reaktionssteg skall anges samt nyckelenzym i omvandlingen av glukos till galaktos. Beskriv också hur de två sockrena skiljer sig åt. Svar: Glukos glukos-6-fosfat glukos-1-p UDP-glukos UDP-galaktos (enzymnamn i sista steget: UDP-hexos-4-epimeras). 20 (4p) I nedre delen av tarmen (canalis analis) finns två stycken ringmuskler (A och B i bilden nedan) som bidrar till den anala kontinensen. a) Ange de latinska namnen på dessa ringmuskler samt ange vilken typ av muskelvävnad det är i respektive muskel. A: B: b) Även om de båda ringmusklerna bidrar till den anala kontinensen, är det en annan muskel som är viktigast för denna funktion. Vad heter den muskel som är viktigast för den anala kontinensen? c) Canalis analis innerveras sensoriskt dels av somatiska nerver och dels av autonoma nerver, och blodet från canalis analis dräneras antingen direkt till stora kretsloppet (v. cava inferior) eller via v. portae hepatis till levern. Gränsen mellan dessa försörjnings- /dränerings-områden går att identifiera med hjälp av landmärken i canalis analis slemhinna. Rita i bilden nedan in var denna gräns är belägen och ange gränsens latinska namn. 8
Svar: a) A: M. sphincter ani internus, glatt muskulatur; B: M. spincter ani externus, tvärstrimmig skelettmuskulatur. b) M. puborectalis. c) Linea pectinata (canalis analis). ***************************************************************************** Crohns sjukdom, eller Morbus (Mb) Crohn, är en inflammatorisk autoimmun sjukdom som kan drabba mag-tarmkanalen överallt från munnen till anus. Den räknas till gruppen inflammatoriska tarmsjukdomar, där också ulcerös kolit ingår. Buksmärta, viktminskning och diarré och blodig avföring är vanliga symtom. Sjukdomen är kronisk, går i skov och orsaken är okänd. Oftast är slutet av tunntarmen och delar av hela tjocktarmen drabbade. Inflammationen sträcker sig över alla tarmvägglager. ***************************************************************************** 21 (2p) Namnge med hjälp av bifogade bildsida olika vägglager (A-D) i tunntarmens (ileum) slemhinna. 9
Svar: A = lamina propria (utgör mukosan tillsammans med lamina epitelialis och lamina muscularis mucosae; innehåller huvudsakligen bindväv, men också blod- och lymfkärl samt körtlar och immunceller); B = lamina submucosa (innehåller bindväv, blod- och lymfkärl samt körtlar; här finns Meissners plexus); C = lamina muscularis externa (inre cirkulärt och yttre longitudinellt muskellager); D = lamina serosa (seröst membran med enkelt skivepitel (mesotel) och bindväv; om tarmvägen är fäst till omgivande vävnad, t.ex. bukväggen eller retroperitoneala organ, kallas detta lager för adventitia och innehåller enbart bindväv). 10
Kolera är en diarrésjukdom som beräknas drabba runt 5.5 miljoner människor årligen och av dessa dör sedan cirka 120000. Sjukdomen orsakas av bakterien Vibrio cholerae som koloniserar epitelytan av tunntarmens tarmlumen. V. cholerae utsöndrar koleratoxin som består av en enzymatiskt aktiv A-subenhet och en cellbindande B-subenhet. B-subenheten binder till GM1- receptorn på enterocyter vilket gör att toxinet internaliseras och där påverkar den intracellulära nivån av camp, vilket i sin tur leder till kraftigt utflöde av vatten och elektrolyter. 22 (1p) Vilken cellbiologisk transportprocess genomgår toxinet vid sin internalisering. Svar: Receptormedierad endocytos. 23 (2p) Koleratoxinets A-subenhet verkar i cytosolen och för att komma dit använder toxinet signalsekvenser så att det efter internaliseringen till slut hamnar i det endoplasmatiska retiklet. Därifrån tar sig A-subenheten in till cytosolen med hjälp av ett exportsystem som egentligen används för endoplasmatisk retikulär-cytosolisk transport av oveckade eller felveckade proteiner. C-terminalen på toxinets A-subenhet har proteinsekvensen lysin-asparginsyra-glutaminsyra-leucin (KDEL). Redogör för funktionen av denna C-terminala sekvens. Svar: Den C-terminala sekvensen KDEL används som en signatur för lösliga proteiner som skall verka i ER. Ibland packas dessa ER-residenta proteiner av misstag in i en COPII täckt vesikel och transporteras till Golgi. I Golgi känns de dock igen av KDEL-receptorn som återbördar dem genom vesikulär COPI-beroende transport tillbaks till ER. Effekten av koleratoxin är kraftiga diarréer med stora vätskeförluster som följd. Det är nödvändigt att motverka/kompensera för dessa vätskeförluster, då dessa i extrema fall kan uppgå till 35-40 liter. 24 (4p) Förutsättningen för att så stora mängder vätska skall kunna lämna kroppen är att det även under normala förhållanden är ett stort vätskeutbyte över tarmens vägg. Redogör för var vätskeutbytet sker i mag-tarmkanalen och hur stora mängder vätska som secerneras till mag-tarmkanalen resp. absorberas. En enkel och mycket effektiv behandling av diarréer med stora vätskeförluster, speciellt hos barn, är en kombination av isoton koksaltlösning och glukos. Förklara varför denna blandning leder till ökat vätskeupptag i tarmen. 11
Svar: All cellulär transport involverar Na + /K + -ATPas i basolaterala membranen. Detta enzym ansvarar för uttransporten av Na + över basolaterala membranen vilket skapar en Na + - gradient. Denna gradient är den drivande kraften för att Na + skall ta sig in i epitelcellerna via apikala membranen och är beroende av glukos som cotransportör. Det innebär att glukos och Na + är en utmärkt rehydreringslösning (ökar vattenmängden i kroppen) då hydratiseringsvatten följer med Na + -glukos-komplexet in i cellen. 12
Tema 2: Angiogenes skapar nya blodkärl (12p) All vävnad, sjuk som frisk, behöver genomströmmas av blod för att överleva och växa. Nyckeln till många medicinska problem, som att hindra tumörer från att växa, är därför att hämma blodkärlens utbredning. Blodkärl nybildas genom att "skott" skjuts ut från redan existerande kärl. Dessa kärlskott förlängs, förgrenas och kontaktar andra kärl under bildandet av kommunicerande rörnätverk. Processen kallas "angiogenes" och är viktig vid fosterutveckling och normal vävnadsnybildning, till exempel i samband med sårläkning och menstruationscykeln. Men den är också viktig för sjuklig vävnadsbildning, till exempel vid cancer och kroniska inflammatoriska sjukdomar. Hämning av sjuklig angiogenes utgör därför en mycket attraktiv terapimöjlighet vid flera olika sjukdomstillstånd. Tumörer kan till exempel inte bli större än 1-2 mm utan att nya blodkärl bildas och de är beroende av blodkärlen för sin spridning. Hittills har anti-angiogen behandling visat sig ha positiva effekter vid bland annat tjocktarmscancer och den vanliga ögonsjukdomen AMD ( age-dependent macula degeneration ). (Ur www.ki.se). 25 (3p) Angiogenes handlar alltid om tillväxt av nya celler, och tillväxt av celler styrs till en stor del av olika typer av tillväxtfaktorer. I angiogenes samverkar till exempel "fibroblast growth factor" med "vascular endothelial growth factor" för att få olika celltyper att skapa nya blodkärl genom celldelning. Beskriv cellcykelns huvudfaser, gärna med en bild. Var i cellcykelns finns dess startpunkt? Beskriv även vilka kontrollmekanismer cellen har för att säkerställa att cellcykeln fungerar optimalt. Ange namn och ange även var i cellcykeln dessa kontrollmekanismer utförs. Svar: G1, S (DNA-syntes), G2, M (separation av kromosomer, celldelning), G0 (vilofas). Cellcykelns startpunkt är "restriction point" vid G1. Cellcykeln har ett antal checkpoints där cellen utför en kontroll av kvaliteten i cellcykeln. Vid G1-checkpoint kontrolleras om miljön är gynnsam miljö. Vid G2/M-checkpoint kontrolleras om allt DNA har replikerats samt om miljön är gynnsam. Vid metafas-checkpoint kontrolleras att alla kromosomer är fastsatta i kärnspolen. 26 (4p) Cellmigration (cellrörelse) är också en mycket viktig del av angiogenes. Till exempel endotelcellerna reagerar på olika typer av kemiska signaler som får dem att förflytta sig i rätt riktning för tillväxt av kärl. Beskriv kortfattat hur celler som endotelceller (alltså inte till exempel spermier) flyttar sig i en tredimensionell extracellulär matrix. Namnge viktiga cellkomponenter som deltar, samt namnge de viktigaste stegen i cellrörelse. Svar: Cellrörelse har fyra huvudsteg: 1. Aktinpolymerisering vid plusändan förlänger lamellipodiet i rörelseriktningen. 2. Omfördelning i rörelseriktningen av icke-polymeriserat aktin. 3. Bildning av integrin-medierad fokal adhesion mellan cellulärt aktinfilament nätverk och extracellulära matrix proteiner. 13
4. Myosin II medierad kontraktion av cellens bakända. Urokinase - type plasminogen activator (upa) är involverat i bland annat fibrinolys (upplösande av koagel), men också i angiogenes genom att det deltar i nedbrytningen av extracellulär matrix. Denna nedbytning av matrix blir begränsad då upa binder till specifika receptorer (upar) på de främsta cellerna i samband med angiogenesen. ***************************************************************************** 27 (4p) Urokinas (upa), som tillhör enzymklassen serinproteaser, följer så kallad mättnadskinetik (Micahelis-Mentens-kinetik). Redogör med ord och en graf för det kinetiska förloppet hos ett enzym som följer Micahelis-Mentens-kinetik (enheter på axlarna skall anges). Förklara grafen och ingående storheter i Michaelis-Mentens ekvation! (Ledtråd: tänk på digestionslaborationen). Redogör också för vilka funktionella enheter som man kan återfinna i det aktiva centrat hos ett enzym i allmänhet eller specifikt hos ett serinproteas. Svar: Mättnadskinetik skall illustreras med en graf som visar en hyperbol kurva som når ett V max (se fig 5.12 i CHF upplaga 4). På X-axeln skall det framgå att storheten är substratkoncentration och lämplig enhet såsom mm skall anges. Y-axeln skall visa att storheten är hastigheten v. Halva V max skall i diagrammet illustreras och översättas numeriskt till K m (MM-konstanten), som ofta är ett mått på ett enzyms affinitet till ett substrat. [Att fullständigt kunna redovisa MM-ekvationen är överkurs. V max x [S] Michaelis-Meneten ekvationen v = K m + [S] v momentan hastighet, uttrycks oftast i mol bildad produkt / tidsenhet V max maximala hastigheten som ett enzym kan arbeta vid under rådande omständigheter, uttrycks oftast i mol bildad produkt / tidsenhet [S] substratkoncentrationen, uttrycks oftast i Molar (mm) K m Michaelis konstant som är en kombination av hastighetskonstanter, kan sägas vara ett mått på affiniteten för ett substrat till resp. enzym. Uttrycks i Molar (mm). Vid V max / 2 är [S] lika med K m (erhålls ur MM-ekvationen och används för att bestämma K m numeriskt). Dock löses idag alla parametrar med icke-linjär regressionsanalys. Vid en fördubbling av enzymkoncentrationen ökar normalt hastigheten beroende på vilket intervall ökningen ligger inom. Vid låga substratkoncentrationer sker nästan en fördubbling av hastigheten, men då V max redan uppnåtts sker ingen ökning av hastigheten (enzymet är mättat av substrat).] 14
De fyra funktionella enheterna som kan identifieras i det aktiva centrat hos ett serinproteas är: 1) ospecifika bindningsställe som deltar i bindningen av proteinkedjan, 2) specificitetsficka som bidrar med ytterligare bindning och identifierar rätt protein (skapar specificitet), 3) katalytisk triad (Ser, His, Asp) där det är Ser som utför den klyvande nukleofila attacken på peptidbindningen, 4) oxi-anjonficka, som stabiliserar och binder det instabila övergångsstadiet, d.v.s. den del av aktiva centrat som bidrar till att sänka aktiveringsenergin. ***************************************************************************** Som tidigare diskuterats verkar "Vascular endothelial growth factor" (VEGF) vara av central betydelse i samband med angiogenes. VEGF verkar i detta sammanhang kunna aktivera AMPberoende proteinkinas (AMPK). AMPK kan i sin tur aktivera uttrycket av VEGF och verkar på så sätt vara involverat i vissa typer av angiogenetiska proceser. AMPK kan både inhibera och aktivera olika enzymer och bland annat inhiberar AMPK det huvudreglerade enzymet i kolesterolbiosyntesen. Ett enzym som dock aktiveras av AMPK är enzymet enos ( endothelial nitric oxide synthase ) i endotelceller som bildar en produkt som är av betydelse för kärltonus och därmed blodflödet. ***************************************************************************** 28 (1p) Beskriv med angivande av samtliga substrat, produkter och coenzymer reaktionen som katalyseras av enos. Svar: Arg + O 2 + NADPH + H + NO + NADP + + citrullin Tema 3: Cellterapi räddar vuxna och barn (13p) Cellterapi är en behandlingsform som väntas expandera kraftigt inom de närmaste åren. Behandlingen innebär att nya celler överförs, eller transplanteras, till patienten. Akut leukemi hos barn är ett exempel på en sjukdom där man har nått stora framgångar med cellterapi. I dag botas fyra av fem barn med akut leukemi med hjälp av transplanterade benmärgsceller. Enligt en artikel i Forskning och Medicin (3-2008) räddar blodstamcellstransplantationer även de flesta av barn som leder av svår kombinerad immunbrist. Redan 1984 gjordes den allra första stamcellstransplantationen på en patient med en svår medfödd immunbristsjukdom. Transplantation i dessa fall sker relativt enkelt genom tillförsel av frisk benmärg eller navelsträngsblod. Eftersom patienterna saknar immunförsvar behöver de inte heller behandlas med medel som förhindrar avstötning. 15
29 (4p) I sällsynta fall hittas inga möjliga donatorer av celler. Det finns dock en möjlighet att hjälpa dessa barn, en möjlighet som väcker många svåra etiska frågor. Preimplantorisk genetisk diagnostik (PDA) kan användas för att skapa ett syskon som kan donera blodstamceller till ett sjukt barn. I dessa fall utgår man från embryon skapade i provrör, av äggceller och spermier som kommer från det sjuka barnets föräldrar. Utifrån det du har lärt dig på kursen, beskriv hur ett mänskligt embryo ser ut strax före implantationen. Beskriv även hur embryots väg från ägglossningen till implantationen ser ut normalt. Beskriv även hur implantationen går till. Ge exempel på olika ställningstaganden (två för och två emot) för användningen av preimplantorisk genetisk diagnostik. Svar: Efter ägglossningen, sker befruktningen i äggledaren dit spermatocyterna har vandrat. Befruktning av ägget sker ungefär mitt i äggledaren. Det befruktade ägget börjar dela på sig och vandra mot livmodern. De första stadierna kallas klyvningsembryot eftersom ingen ökning av den totala cellmassan sker däremot sker det celldelning vilket innebär att cellerna blir mindre. När embryot har vuxit till 16 celler kallas den morula. Morula utvecklas vidare till blastocyst som består av inre cellmassa som utvecklas till embryo samt trofoblast som blir extraembryonal vävnad inklusive placenta. Under dag 6 implanteras embryot i livsmoderslemhinnan (endometriet). Implantationen fullbordas under dag 8-10 samtidigt som epiblast och hypoblast samt amnionhålan och gulesäcken utvecklas. Embryot är helt inbäddat i endometriet under dag 10. När det gäller etiska frågor, kan flera olika typer av motiverade svar godkännas. 30 (1p) Om man gör cellterapi med stamceller från vuxna människor, var i den vuxna kroppen kan man hitta lämpliga stamceller? Svar: Stamceller finns där celler aktivt växer och differentieras, till exempel i blodet eller benmärg. Man har hittat stamceller överallt i kroppen, till exempel i hjärnan, muskulaturen, fettväv, huden, tänderna, i hjärtat och i levern. **************************************************************************** Diabetes är ett annat exempel på sjukdom där cellterapi har prövats på olika sätt. Antigen kan stamceller transplanteras, eller differentierade celler som syntetiserar insulin. Insulin brukar ibland kallas det välfödda tillståndets hormon eftersom det normalt skall frisättas från -cellerna i pankreas efter en måltid. Vid diabetes typ 1 saknas insulinproducerande celler vilket kommer leda till att kroppens metabolism påverkas på ett karaktäristiskt sätt. **************************************************************************** 31 (6p) Beskriv hur aktiviteten hos olika enzymer i olika metabola vägar (glykolysen, glukoneogenesen, glykogenes, glykogenolys, lipogenes, lipolys) påverkas då insulin saknas eller är reducerat. Ange ett målenzym för respektive metabol väg, som regleras av insulin, samt redogör med angivande av samtliga substrat och produkter för den kemiska reaktion som katalyseras av det valda enzymet. 16
Svar: Aktiviteten hos enzymer i: glykolysen och glykogenesen reduceras (t.ex. hexokinas, FFK1, FFK2 och pyruvatkinas resp. glykogensyntas); glukoneogenesen och glykogenolysen ökar (t.ex. PEP-karboxykinas, fruktos-1,6-bisfosfatas och glukos-6-fosfatas resp. glykogenfosforylas och glykogensyntaskinas (GSK)); lipogenesen reduceras (t.ex. citratlyas, acetylcoacarboxylas och fettsyrasyntas samt i kolesterolbiosyntesen HMGCoA-reduktas och i HMP-shunten glukos-6-fosfatdh); lipolysen ökar (t.ex. hormonkänsligt lipas, CAT1 i karnitinskytteln, acylcoa-dh i - oxidationen, HMGCoAsyntas i ketonkroppsbildningen). OBS! För specifika reaktioner som katalyseras av respektive enzym se CHF upplaga fyra. **************************************************************************** Målsättningen med cellterapi med -celler är att återskapa kroppens förmåga för insulinsyntes. Den här typen av cellterapi kan inte hjälpa alla diabetespatienter. I vissa typer av diabetes finns det fungerande -celler men däremot har målcellernas förmåga att ta emot eller tolka signalen från insulinet försämrats. **************************************************************************** 32 (2p) Redogör för insulins signaltransduktionsmekanism (från receptorprotein till olika generella målproteiner). Svar: Insulin binder till dimera tyrosin-kinasreceptor, korsvis autofosforylering och fosforylering av IRS1, som fungerar som adapter protein. Vissa proteiner, som binder till IRS1, initierar en signaltransduktionskaskad, som leder till genaktivering och ökad produktion av olika målenzymer. Andra proteiner som PI-3-kinas (PI-3K) aktiverar en snabb signaltransduktionsväg: PI-3K katalyserar fosforyleringen av membranbundet PIP 2 till PIP 3, PIP 3 känns igen av Akt (PKB) som i fosforylerad form leder till aktivering av olika vägar: Aktivering av Akt leder till rekrytering av GLUT4 [i skelettmuskulatur och fettväv], fosforylering av GSK i hepatocyter, och/eller fosforylering av olika andra målproteiner som på olika sätt leder till aktivering av olika fosfataser i många olika celler och vävnader. 17