Tentamen med svarsmallar Biokemi KE7001p3, 20:e mars 2006, 09 00-15 00. Max poäng = 75 p. Slutlig gräns för godkänd = 38 p (51 %). 1. Utan biologiska membran skulle inget liv kunna existera. a) Rita den kemiska strukturformeln för en membranlipid. (2.5p) b) Beskriv med en enkel skiss uppbyggnaden av ett biologiskt membran. (1p) c) Ge två exempel på energialstrande processer där biologiska membran är av central betydelse. (1p) d) Vad kallas den drivande kraften som gör att membraner hålls ihop (och som gör att proteiner veckar sig) (0.5p)? Hur fungerar den (1p)? (6 p) a) Lipidfigur: Glycerol (0.5p) med esterbindningar (0.5p) till fettsyror (R1, R2) på två hydroxyler (0.5p) och fosfat på den tredje (0.5p) som i sin tur har en polär grupp bunden (etanolamin, serin, kolin) (0.5p). b) Membranfigur: Dubbellager, hydrofila huvuden utåt, hydrofoba svansar inåt (1p). c) Membranet har en central betydelse vid oxidativ fosforylering (0.5p) och vid fotosyntes (0.5p). d) Hydrofoba effekten (0.5p). Hydrofoba delar av t.ex. lipider eller proteiner klumpar ihop sig med varandra för att undgå kontakt med vatten (1p). 2. Rita upp den generella formeln för en dipeptid vid ph 7. Rita atomer och bindningar i huvudkedjan och R1 och R2 för sidokedjorna. Markera N- och C- terminal och ange eventuella laddningar. Markera peptidbindningen och de bindningar i huvudkedjan som är vridbara (phi och psi). Peptidbindning - kan inte rotera N-terminal + H 3 N Roterbara bindningar R1 R2 O α α C C N C φ H ψ H φ H ψ φ = Phi-vinkel ψ = Psi-vinkel C O O C-terminal Totalt 3p (1p för rätt formel, 0,5p för laddning, 0.5p för rätt bindningar, 0.5p för roterbara, 0.5p för N- och C-terminal) 3. Vilken av följande aminosyror kan lätt ta upp eller avge en proton vid neutralt ph: Leu, His, Ala, Pro? (1 p) His (1p). Sidokedjan hos histidin har vanligen pka-värde mellan 6 och 7. Sidan 1 av 8
4. Proteiners struktur kan beskrivas i fyra nivåer, primär, sekundär, tertiär och kvartenär. Förklara vad som avses med respektive begrepp. (4p) Primärstruktur är aminosyrasekvensen (1p). Sekundärstruktur bildas när avsnitt av polypeptidkedjan veckar ihop sig med regelbundna vätebindingar i sekundärstrukturelementen alfa-helix, beta-sträng, beta-böj (1p). Tertiärstruktur beskriver hela polypeptidkedjans veckning, hur sekundärstruktur-element och sidokedjor är packade (1p). Kvartenärstruktur beskriver hur olika subenheter sitter ihop i ett oligomert protein/proteinkomplex (1p). 5. Några egenskaper hos ett antal proteiner visas i tabellen nedan: Protein Isoelektrisk punkt (pi) Nativ molekylvikt (kda) Övrigt I 9.4 70.000 II 4.5 200.000 III 5.6 10.000 IV 3.1 140.000 V 7.0 50.000 Binder till glukos a) Vilket av dessa proteiner skulle troligen lossna sist från en katjonbytarkolonn = negativt laddad kolonn vid ph 7.0 (dvs. binder starkast)? (1p) b) Vilket av dessa proteiner skulle troligen eluera sist från en gelfiltreringskolonn? (1p) c) Vid analys av protein II med SDS-polyakrylamidgelelektrofores (SDS-PAGE) finner man att det ger upphov till två band på gelen. Det ena motsvarar en molekylvikt på 25.000 det andra 75.000. Vad säger det om proteinets substruktur (uppbyggnad)? (1p) d) Hur kan man utnyttja det faktum att protein V är glukos-bindande i en reningsprocedur? (1p) (4 p) a) Protein I bör binda starkast till katjonbytaren vid ph 7.0 (1p). Det är det enda proteinet som har en isoelektrisk punkt högre än ph 7, och därför det enda som har positiv nettoladdning. b) Protein III bör eluera sist från en gelfiltreringskolonn (1p), eftersom det är det minsta proteinet. c) Att proteinet ger upphov till två band på en SDS-PAGE tyder på att det byggs upp av två olikstora subenheter. Då proteinet har en nativ molekylvikt på 200.000 är den mest troliga förklaringen att det är en tetramer betående av två subenheter med en molekylvikt på 25.000 och två på 75.000 (1p). ( I denna metod denatureras ju proteinerna genom att man tillsätter SDS, en negativ detergent, vilken gör att tertiär- och kvartenärstrukturen förstörs.) d) Man kan konstruera en affinitetskolonn till vilken man kovalent bundit glukos som ligand. Protein V bör sedan kunna binda specifikt till denna kolonn. (1p) 6. Definiera och beskriv kortfattat de tre stegen i molekylärbiologins "centrala dogma", dvs. flödet av den genetiska informationen. Sidan 2 av 8
DNA -> DNA = replikering (0.5p). DNA kopieras genom att varje kedja bildar mall för komplementär kopiering (0.5p). DNA -> RNA = transkription (0.5p). Vissa delar av DNA kopieras till RNA. En kedja i DNA är mall för komplementär kopiering (0.5p). RNA -> protein = translation (0.5p). mrna används som mall för syntesen av protein på ribosomen (0.5p). För varje aminosyra som inkorporeras i proteinet passas tre baser i mrna (kodonet) ihop med antikodonet på den trna-molekylen som för in aminosyran till peptidsyntesen. 7. Varför kan man förutsäga ett proteins aminosyrasekvens om man känner genens nukleotidsekvens, men ej bestämma en gens nukleotidsekvens om man känner proteinets aminosyrasekvens? (2 p) Varje kodon i gensekvensen svarar mot en enda aminosyra (1p), därför kan vi förutsäga proteinets sekvens från gensekvensen. Däremot så finns det mer än ett kodon för de flesta aminosyrorna (1p), dvs. flera alternativa sekvenser är möjliga. 8. PCR är en metod som har inneburit en molekylärbiologisk revolution. Metoden används inom en mängd olika områden, från brottsplatsundersökningar till produktionen av olika läkemedel. a) Vad står förkortningen PCR för? (1p) b) Varför utför man PCR vad vill man åstadkomma, m.a.o vad händer i provröret? (1p) c) Vilka komponenter behövs (vad tillsätter man i sitt provrör) för att utföra PCR (2p)? (4 p) a) Polymerase Chain Reaction (1p) b) Amplifiering av DNA många kopior av en speciell DNA sekvens, t.ex. en gen (1p). c) Deoxyoligonukleotider (dntps) (0.5p), DNA polymeras t.ex. (Taq-polymeras) (0.5p), DNA (innehåller sekvensen ni vill amplifiera) (0.5p), två olika oligonukleotider, primers, som basparar med ändarna av den sekvens som amplifieras (0.5p). 9. Enzymet E som följer Michaelis-Menten-kinetik har ett Km på 1μM (mikromolar). Initiala hastigheten är 0.1 μm/min (mikromolar/min) vid en substratkoncentration på 1000 μm (mikromolar). Vad är den initiala hastigheten när [S] är lika med a) 2 mm (millimolar) (1p) b) 1 μm (mikromolar) (1p) c) 3 μm (mikromolar)? (1p) När [S] = 1000 μm så gäller [S] >> K m, och alltså är v 0 = V max = 0.1 μm/min a) för varje substratkoncentration större än 1000 μm, v 0 = V max = 0.1 μ M/min (1p) b) [S] = K m så v 0 = V max /2, eller 0.05 μm/min (1p) Sidan 3 av 8
c) Eftersom K m och V max är kända, kan Michaelis-Menten ekvationen användas för att beräkna v 0 vid varje substratkoncentration: v 0 = V max [S] / ( K m + [S] ) För [S] = 3 μm: v 0 = (0.1 μm/min) (3 μm) / (1 μm + 3 μm) = 0.3/4 μm/min = 0.075 μm/min (1p) 10. Illustrera i figur hur reaktionshastigheten varierar som funktion av substratkoncentrationen för a) ett allosteriskt enzym (1p), och b) ett enzym som följer Michaelis-Menten kinetik (1p). Glöm inte att märka axlarna! (2 p) a) b) a) Figur med sigmoidal kurva (1p). b) Figur med hyperbol kurva (1p). 11. G-proteiner spelar mycket viktig roll vid signalöverföring, dvs. för att omvandla en signal utanför eller i membranet (hormon-, smak-, lukt-, ljusreceptorer) till en respons inuti cellen. När är G-proteiner aktiva respektive inaktiva? (1p) G-proteiner är aktiva när de binder GTP (0.5p) och inaktiva med GDP (0.5 p). 12. Fosforylering/defosforylering kan omvandla ett enzym från en mer aktiv form till en lågaktiv/inaktiv form. Vilken av formerna är aktiv, den fosforylerade eller defosforylerade? Vad kallas enzymer som katalyserar fosforylering av andra proteiner/enzymer och vad kallas de som katalyserar defosforylering? Vilka tre aminosyror är vanligen fosforylerade i cellulära signalvägar? Vilken form som är aktiv av fosforylerade eller ofosforylerade enzymer är olika från fall till fall (0.5p). Proteinkinaser fosforylerar (0.5), proteinfosfataser defosforylerar (0.5 p). Aminosyrorna Ser (0.5 p), Thr (0.5 p) och Tyr (0.5 p) fosforyleras, dvs. de med hydroxylgrupper. Sidan 4 av 8
13. Beskriv vilka fyra huvudsakliga roller som kolhydrater spelar i levande organismer och ge exempel på minst en kolhydrat som är inblandad för var och en av de funktionerna. (4 p) 1) Bränsle, energilagring. Kolhydrater används som bränsle (glukos), för lagring av energi (glykogen, stärkelse) och ingår som intermediat i många metaboliska reaktionsvägar (fruktos, glyceraldehyd-fosfat, ribulos) (0.5+0.5p). 2) Ingår i nukleinsyror. Ribos och deoxyribos ingår i nukleotider och utgör "ryggraden" i RNA och DNA (0.5+0.5p). 3) Strukturell funktion. Polysackarider bygger upp bakteriers (peptidoglycan), svampars (kitin) och växters (cellulosa) cellväggar, och finns i bindväv och extracellulär matrix hos djur (heparin, hyaluronsyra) (0.5+0.5p). 4) Signalering (alt. proteinglykosylering). Oligosackarider som sätts på proteiner och lipider spelar en viktig roll för igenkänning och signalering i kontakter mellan celler och deras interaktion med omgivningen. Som exempel kan nämnas blodgruppsantigenerna A,B,0 har terminal GalNAc, Gal, eller Fuc. Glykosylering av proteiner ökar dessutom generellt deras stabilitet och löslighet (0.5+0.5p). (Stryer kap 11.1-2, s 295-306) 14. Råa ägg innehåller proteinet avidin som hindrar upptaget av B-vitamin, speciellt vitaminet biotin.vilken av nedanstående metaboliska vägar påverkas av att avidin reducerar biotins medverkan i metaboliska processer? Motivera svaret. a. Fumarat Malat b. Alanin Glukos c. Propionyl-CoA Succinyl-CoA (2 p) I reaktionen b (1p). Först transamineras alanin till pyruvat, därefter sker en karboxylering av pyruvat till oxaloacetat (karboxyleringen katalyseras av pyruvatkarboxylas). Det behövs biotin i karboyleringsprocessen (1p) 15. Varför produceras mindre ATP av det NADH som genereras i cytosolen och sedan transporteras in i mitokondrierna via glycerolfosfat-skytteln jämfört med det NADH som produceras i mitokondrierna? Hur mycket energi i form av ATP erhålls av det NADH som genereras i cytosolen? NADH ekvivalenter från cytosolen transporteras in som glycerolfosfat i mitokondrierna (1p). Glycerolfosfat oxideras till dihydroxyaceton av det membranbundna enzymkomplexet glycerolfosfatdehydrogenas. Två elektroner överförs till FAD som reduceras till FADH 2 som lämnar över till Q i andningskedjan (1p). Endast 1.5 ATP bildas för varje FADH 2 som oxideras. (1p) 16. Vilken av följande aminosyror spelar en avgörande roll i transporten av amoniumjoner från perifiära vävnader till levern? a. Serin b. Metionin c. Glutamin d. Arginin (1 p) Sidan 5 av 8
c, Glutamin 17. I en veckotidning har du läst att det är nyttigt att fasta under 2-5 dagar och endast dricka vatten för att på det sättet rena kroppen från alla giftiga ämnen som finns lagrat i kroppen. Du bestämmer dig för att prova. Du känner att det börjar bli svårt att koncentrera sig, och du får huvudvärk m.m. Förklara kortfattat vilket samspel som råder mellan lever, muskel och fettvävnad vid ovan nämnda situation. Ange endast huvuddragen i de metaboliska vägarna (max. 1 sida inkl. eventuell figur). (10 p) Vid partiell svält är prioritet ett att kunna hålla blodglukosnivån på en acceptabel nivå. Leverns glykogen bryts ner för att balansera blodglukos nivån. (1p) Muskelproteiner bryts ned och transporteras till levern för glykoneogenes. (1p) Muskeln utnyttjar muskel-glykogen och muskel-protein för sin egen energi metabolism. (1p) Skelettmusklerna producerar större mängd laktat som transproteras till levern för syntes av glukos. (1p) Lipolys av upplagrat fett (från fettdepåerna), glycerol spjälkas av. (1p) Glycerol transporteras till levern som syntetiseras glukos av glycerol. (1p) Fettsyrorna utnyttjas som energi (bränsle) i lever och skelettmuskel. (1p) Fettsyrorna oxideras via beta-oxidationen men oxalacetat nivån är låg i levern vilket medför att levern bildar ketonkroppar som exporteras ut i blodet (2p) Ketonkropparna används av bla. musklerna som bränsle. (1p) 18. Arginin är en essentiell aminosyra hos katt. Katter som inte ätit mat under en natt och därefter erhållit arginin-fattig diet (för övrigt balanserad sammansättning av aminosyror) kan efter endast ett par timmar råka ut för ammoniakförgiftning. a) Vad var orsaken till att höga ammoniaknivåer bildades i blodet? (1p) b) Förklara (biokemiskt) varför avsaknad av aminosyran arginin leder till akut ammoniakförgiftning hos katt. (2p) a) För att balansera blodglukosnivån används glukogena aminosyror. Oxidativ deaminering leder till ökad ammoniak-koncentration (1p). b) I frånvaro av arginin fungerar inte urea-cykeln. Arginin är en intermediär i urea cykeln och behövs för syntes av ornithin. Ornithin tar emot kvävet från oxidativ deaminering via karbamoylfosfat och därmed bildas ingen urea utan ammoniaken transporteras ut i blodet.(2p) 19. De flesta djur lägger upp ett reservföråd av energi i form av fett. Hur mycket mer energi i form av ATP-ekvivalenter erhålls då en mol stearinsyra (C18:0) oxideras jämfört med en mol glukos. Endast den energi som erhålls i citronsyracykeln och via oxidativ fosforylering skall redovisas (inga tidigare steg). I Citronsyra cykeln genereras 3 NADH, 1 FADH2 och en GTP per varv. (3p) Vid förbränning av 1 mol glukos erhålls 2 mol acetyl CoA Sidan 6 av 8
Vid förbränning av sterarinsyra erhålls 9 mol acetyl CoA 3 NADH= 3x2.5= 7.5 ATP 1 FADH2= 1x1.5 =1.5 ATP 1 GTP =1x1= 1 ATP Summa :10 ATP per acetyl CoA 1 mol Glukos = 20 ATP (1p) 1 mol stearinsyra = 90 ATP (1p) Dvs. 4.5 gånger mer energi utvinns från stearinsyra jmf. med glukos. (1p) 20. Vid kraftigt anaerobt muskelarbete ansamlas en metabolit i muskeln som sänker muskelns prestationsförmågan. Vad är detta för metabolit? (1p) Rita en schematisk skiss hur denna metabolit omhändertas av kroppen och namnge vilka metaboliska vägar som är involverade. (2p) Laktat eller mjölksyra (1p) Rita transport av laktat från muskel till lever där sker glukoneogenes till glukos som transporteras tillbaka till musklerna, som bryter ner glukosen till laktat.(2p) 21. Kolmetabolism a) Beskriv kolets kretslopp med en enkel skiss b) Till skillnad från däggdjur (t. ex. människan) kan växter (samt vissa alger, bakterier och andra mikroorganismer) tillgodose sitt behov av kolhydrater genom nysyntes från oorganiskt kol. Vad kallas processen och vilken är den primära reaktionen i processen? c) Vad heter enzymet som katalyserar denna reaktion som är unik för växter (och andra fotosyntetiserande organismer)? d) På vilket sätt påverkar luftens syre flödet och energiutbytet i reaktionen? (6 p) Svar: a) Se skiss. Autotrofer fixerar luftens koldioxid (CO 2 ) som omvandlas till kolhydrat (CH 2 O) n och spjälkar vatten (H 2 O) till syre (O 2 ). Processen drivs av solljusenergin. Heterotrofer livnär sej på kolhydrater som producerats av autotrofer och använder syre till förbränning, varvid vatten bildas. (2p) b) Processen är fixering av luftens koldioxid i socker/kolhydrat (Calvin-cykeln, reduktiva pentosfosfatcykeln, eller mörkerreaktionen). Den primära reaktionen är fixering (bindning) av luftens koldioxid till ribulos-1,5-bisfosfat, varvid triosfosfat/hexoser bildas. (1p) c) Ribulos-1,5-bisfosfatkarboxylas/oxygenas eller Rubisco. (1p) d) Luftens syre konkurrerar med koldioxid i Rubisco's aktiva yta. Oxygenering av ribulos-1,5-bisfosfat leder till bildning av en molekyl 3-fosfoglycerat (3PGA) och en molekyl 2-fosfoglycerat (i stället för två 3PGA), d.v.s. inget CO 2 fixeras. Nedbrytning/omvandling av 2-fosfoglycerat som bildas, fotorespiration, är en energikrävande process (kräver extra ATP och NADH), som resulterar i att kol avlägsnas ur Calvincykeln genom att koldioxid i stället avges. (2p) Sidan 7 av 8
22. Energiomvandling/ljusreaktion Nysyntes av organiskt kol som behandlas i frågan ovan är en energikrävande process. a) Varifrån tas energin? b) Var sker energiinfångningen (i vilken organell och var i denna)? c) Vilka komponenter är nödvändiga för energiinfångning? (3p) a) Energin tas från solljuset (0.5p) b) Energiinfångningen sker i kloroplasternas tylakoidmembran (0.5p) c) Nödvändiga komponenter är (i) en primär fotoreceptor, t.ex. klorofyll (0.5p), (ii) ett biologiskt membran som fungerar som barriär (0.5p), (iii) proteiner/enzymer som förankrar fotoreceptorer i membranet (0.5p), (iv) redoxaktiva föreningar som fungerar som elektronmottagare (0.5p) 23. Flagellerna på bakterier och enzymet ATP-syntas drivs av likartade molekylära motorer. Vad är drivmedlet i de molekylära motorerna? (1 p) Protoner (1p). Motorerna drivs av en skillnad i koncentration av protoner mellan membranets två sidor. Protoner släpps bara igenom om motorn samtidigt roterar. Åt vilket håll protonerna går är kopplat till motorns rotationsriktning. Sidan 8 av 8