Sensorveiledning. Skriftlig eksamen MD4011 semester IA/B kull 10

Transkript

1 NTNU Det medisinske fakultet Sensorveiledning Sensurfrist: 12. juni 2012 Skriftlig eksamen MD4011 semester IA/B kull 10 Tirsdag 5. juni 2012 Kl (16.00) Oppgavesettet er på sider inklusive forsiden Total poengsum er 100. MCQ utgjør 60% Det kreves 65 poeng for å bestå eksamen. Maksimalt antall poeng er angitt for hvert enkelt delspørsmål, og dette antyder omtrent hvor omfattende hvert enkelt spørsmål forventes besvart. Riktig svar på flervalgsspørsmål gir 0,6 poeng. Ingen hjelpemidler er tillat. NB! Det skal bare skrives på utleverte svarark. Det må ikke være mer enn ett fag på samme ark. Lag gjerne en skisse/tegning der det synes hensiktsmessig for å besvare spørsmålet. Vær i så fall påpasselig med navnsetting og tegnforklaring. Ekstra ark fås hos eksamensinspektørene. Husk å sette ditt kandidatnummer på alle ark som leveres inn.. Eksaminatorer Bjørn Hilt Sensor Eivind Brønstad Helge Bjørnstad Pettersen Fagansvarlig på eksamensdagen: Bjørn Hilt telefon: Helge Bjørnstad Pettersen telefon: Studieseksjonen

2 Essayoppgaver skriftlig eksamen IAB våren 2012 Oppgave De fleste enzymer består helt eller delvis av proteiner som fungerer som biologiske katalysatorer i cellen. A) Hvordan virker enzymer? (2p) B) Hvilke kjemiske og fysiske faktorer påvirker enzymaktiviteten? Forklar kort. (2p) 1.2.Celledelingsprosessen er en integrert del av cellesyklusen som er cellens liv fra den først dannes fra en delende foreldrecelle til den selv deler seg i to celler. C) Angi alle fasene i cellesyklusen og beskriv hendelsesforløpet i hver av fasene (4 p) D) Beskriv prinsippene for regulering av cellesyklus med hensyn på rollene til cyclin og cyclinavhengige kinaser (Cdk er). Hvilke faser av cellesyklus er strengest regulert og hvorfor? (2p) Bruk gjerne tegninger for å illustrere det du forklarer

3 Oppgave 2 Reseptor-mediert endocytose er en selektiv måte som celler benytter for å ta opp molekyler, som for eksempel kolesterol og jern. 1. Bilde til venstre viser et elektronmikroskopibilde av reseptor mediert endocytose. I bildet til høyre er det vist en skjematisk tegning av denne prosessen. Hva er det bokstavene på figuren angir? (3p) 2 Beskriv i detalj (gjerne med en figur) hvordan celler tar opp kolesterol fra den ekstracellulære væske og hvordan kolesterol tilslutt havner ut i cytosol. (5p) 3. En form for familiær hyperkolesterolemi skyldes en genetisk defekt i ett av trinnene for opptak av kolesterol. Beskriv og begrunn hvor denne defekten sitter. (2p)

4 Oppgave 3 Forklar kort hvordan hudens sanseorganer er i stand til å registrere et ytre stimulus og formidle denne informasjonen inn til sentralnervesystemet. 3.a. Hvilke typer ionekanaler er involvert i denne prosessen? Hvordan kan det perifere nervesystemet gi informasjon om at stimulus øker i styrke? (for eksempel fra en meget lett berøring til et kraftig klyp) (3 poeng) 3.b.Nevn tre typer sanseorganer som ligger inne i musklene eller tilhørende sene? Forklar kort hva som er hovedoppgavene til disse sanseorganene. Hvilke typer nervefibre leder informasjon mellom disse sanseorganene og ryggmargens grå substans? (3 poeng) 3.c. Forklar kort prinsippet for strekkerefleksen og for fleksjonsrefleksen, for eksempel ved å beskrive eller tegne opp refleksbuene. Hvilke oppgaver har ryggmargens internevroner i disse to refleksbuene? (2 poeng) 3.d. Hva består en «motorisk enhet» av? Hvilke egenskaper i den motoriske enhet er viktig for a) en liten håndmuskel og b) en kraftig leggmuskel. Nevn kort de fysiologiske endringene som finner sted i det perifere nervesystemet når du løfter en tung gjenstand og øker muskelkraften gradvis fra 0 til 100% av din maksimale styrke. (2 poeng)

5 Oppgave 4 Beskriv kort produksjonen av blodceller, og reguleringen av denne produksjonen. Forklar i løpet av denne beskrivelsen kort hva som menes med: 4.a Stamceller (2 poeng) 4.b Proliferasjon (2 poeng) 4.c Differensiering (2 poeng) 4.d Vekstfaktorer (2poeng) 4.e Transkripsjonsfaktorer (2 poeng)

6 Oppgaver i Medisinsk biologi; semester 1A Basert på forelesninger til Trude Flo, Marit Otterlei og Geirr Slupphaug. Laget av Torunn Bruland og Anne Mari Rokstad Læringsmål (c): forklar enzymers hovedfunksjon, og definer begrepene Km og Vmax Spørsmål: De fleste enzymer består helt eller delvis av proteiner som fungerer somm biologiske katalysatorer i cellen. C) Hvordan virker enzymer? (2p) Svar: ENZYMER VIRKER VED Å SENKE AKTIVERINGSENERGIEN I KJEMISKE REAKSJONER: Aktiveringsenergi (EA) er den formen for ekstra energi som kreves for å starte en reaksjon. Den kan oppfattes som en prosess hvor reaktantenee får et ekstra puff(dvs. enn energitilførsel og økning i fri energi hos reaktantene) for å komme over en energibarriere (dvs. en ustabil tilstand kalt en Transition state ) slik at en nedoverbakke-reaksjon kan komme i gang med dannelse av produktene Enzymet bidrar med å stabilisere overgangstilstandenn i den kjemiske reaksjonen. Derved senkes aktiveringsenergien, og reaksjonshastigeheten økes. Stabilisering av overgangstilstanden oppnås ved a) optimal orientering av reaktantene, b) dannelse av partielle ladninger, c) induksjon av «stress» i moleylstrukturen. Det aktive setet: Ofte en liten fordypningg på enzymets overflate. Den D deleen som direkte binder seg til substratet og til selve katalysen. Her finner man kristiske aminosyrer som ofte er konserverte nåe en sammenlikner samme enzymer fra ulike arter. Ofte ladde eller polare aminosyrer som kan indusere ladningsforandringer i substratet. Ko-faktorer: Mange enzymerr krever et ekstra molekyl i eller nærtt det aktive setet for å kunne ha katalyttisk aktivitet. Dette kalles en ko-faktor. Ko-faktoren kan være et organisk molekyl eller et metallion. En sterkt bundet ko-faktor kalles en prostetisk gruppe, mens en løstt bindet kofaktor kalles et koenzym. Kofaktorer tar ofte del i den kjemiske reaksjonen. Mange vannløselig vitaminer er eksempler på livsnødvendige koenzymer. Enzymer virker bare på en bestemt type substrat, eller på beslektede substrater. Andre enzymer er absolutte spesifikke, og virker bare på ettt bestemt substrat. For eksempel stereokjemisk spesifisitet. D) Hvilke kjemiske og fysiske faktorer påvirker enzymaktiviteten? Forklar kort. (2p) Svar: Substratkonsentrajonen; Reaksjonshast tigheten påvirkes av konsentrasjon påå reaktanter og bevegelsesenergi i reaksjonsøyeblikket. I enzymkatalyserte reaksjoner må substratmolekylet først treffe enzymet, dernest må enzymet bindee seg på riktig måte. Derfor vil enzymkatalyserte reaksjoner også være avhengige av substratkonsentrasjonen. Enzymer reagerer på endringer i substratkonsentrasjonen. Nårr substratet øker, øker også kollisjonen mellom enzym og substrat.

7 Reaksjonshastigeheten, V, vil øke inntil alle enzymmolekylene til enhver tid er opptatt. Da vil ikke en ytterligere økning av substratkonsentrasjonen øke reaksjonshastighete. Vi sier da at reaksjonen har nådd sin maksimale hastighet, Vmax. Forholdet mellom reaksjonshastighet og substratkonsentrasjon kan illusterers i et Michaelis-Menten plot. Proteinendringer (posttransjonelle modifikasjoner): Spesifikke genmutasjoner; trunkert (forkortet) enzym gir oftest inaktivt enzyme, tap, endring, insersjon kan føre til tapt aktivitet eller endret aktivitet, i noen tilfeller endres spesifisiteten, mutasjon kan påvirke intracellulær transport over membraner Feil folding, blir som regel raskt nebrutt i cellen Temperatur; Generelt økt hastighet med økt temperatur. Ved en bestemt temperatur vil enzymet konformasjon denatureres, og aktiviteten faller raskt. Eks feber kan endre enzymkatalyserte reaksjoner. I kroppen vår er optimums-temperaturen 37.5oC. ph; vil påvirke ladning til ioniserbare aminosyrer som igjen påvirker løselighet, konformasjon og enzyme aktivitet (enzymet har oftest et ph optimun) enzym-cofaktorer; Organisk molekyl eller metall-ion Inhibitorer; Irreversible inhibitorer binder ofte kovalent til bestemte aminosyrer i enzymets aktive sete for eksempel Hg2-ioner til sulfhydrylgruppen i cysteiner. Reversible inhibitorer fjernes lett fra enzymet to undergrupper: Non-kompetitive og kompetitive Ko-faktorer/aktivatorer; Mange enzymer krever et ekstra molekyl i eller nært det aktive setet for å kunne ha katalyttisk aktivitet. Dette kalles en ko-faktor. Ko-faktoren kan være et organisk molekyl eller et metallion. En sterkt bundet ko-faktor kalles en prostetisk gruppe, mens en løst bindet kofaktor kalles et koenzym. Kofaktorer tar ofte del i den kjemiske reaksjonen. Mange vannløselig vitaminer er eksempler på livsnødvendige koenzymer.

8 Læringsmål: beskriv cellesyklus, mitose og meiose Celledelingsprosessen er en integrert del av cellesyklusen som er cellens liv fra den først dannes fra en delende foreldrecelle til den selv deler seg i to celler. E) Angi alle fasene i cellesyklusen og beskriv hendelsesforløpet i hver av fasene (4 p). Det forventes at studenten skriver kort om alle faser som skissert i figuren under med størst vekt på S-fasen og mitose (profase, prometafase, metafase, anafase og telofase og cytokinese). F) Beskriv prinsippene for regulering av cellesyklus med hensyn på rollene til cyclin og cyclinavhengige kinaser (Cdk er). Hvilke faser av cellesyklus er strengest regulert og hvorfor? (2p)

9 1) 1-2 sjekkpunkt i slutten av G1-fase (det ene kalles restriksjonspunktet) der cella sjekker om omgivelsene tillater og favoriserer celledeling, og også sjekker DNA kvalitet/skader - hvoretter cella bestemmer seg for å entre S-fase og dermed duplisere DNA. 2) i G2 fase sjekkes DNA kvalitet/skader før cella entrer Mitose 3) Metafase-Anafase - sjekkpunkt der cella sjekker at alle søster-kromatider er bundet til spindelpoler - kromosomene alignes i sentralplanet (mikrotubuli fra hver spindelpol bundet til kinetochore-struktur på kromatidenes centromere region og trekker like sterkt i hver sin retning slik at alle kromosomene ligger i samme midtplan i cella). Feil her gir kromosomavvik. Det er antakelig mange slike sjekkpunkt; litteraturen kan omtale disse litt forskjellig mhp plassering i cellesyklus, men det viktige er å forstå hvorfor akkurat disse prosessene/fasene i cellesyklus er spesielt strengt kontrollert. Reguleringen er som binære brytere, og når cella passerer et sjekkpunkt så durer den videre til neste sjekkpunkt i en irreversibel prosess. Derfor kontrolleres sentrale hendelser som duplisering av DNA og deling av kjernen (kromatidene). I hvert sjekkpunkt tar cella en avgjørelse hvorvidt det ser greit ut - og fortsetter, om den skal pause cellesyklus og reparere noe, og i så fall - om reparasjonen virket og den skal dele seg videre eller gå i apoptose.

10 Oppgave 2.Sensurveiledning. Læringsmål 1B, gjør rede for mekanismene for endocytose, exocytose og intracellulær proteinsortering. Laget av Terje Espevik. Reseptor-mediert endocytose er en selektiv måte som celler benytter for å ta opp molekyler, som for eksempel kolesterol og jern 1. Bilde til venstre viser et elektronmikroskopibilde av reseptor mediert endocytose. I bildet til høyre er det vist en skjematisk tegning av denne prosessen. Hva er det bokstavene på figuren angir? 3p 2. Beskriv i detalj (gjerne med en figur) hvordan celler tar opp kolesterol fra den ekstracellulære væske og hvordan kolesterol tilslutt havner ut i cytosol. 5p 3. En form for familiær hyperkolesterolemi skyldes en genetisk defekt i ett av trinnene for opptak av kolesterol. Beskriv og begrunn hvor denne defekten sitter. 2p Sensorveiledning: Spørsmål 1: A: Extracellulært område B: Cytosol C: Plasmamembran D: Klatrindekke (coat) E: Membranen i en klatrindekket grop F: Partikler eller molekyler som er festet til sin reseptor og som blir endocytert G: Lumen av den klatrindekkede gropen

11 Spørsmål 2: Kolesterol tas opp i celler i form av en LDL partikkel. Internalisering starter når LDL partikkelen er bundet til sin reseptor (LDL reseptoren). Adaptin vil da binde den cytoplasmatiske delen av reseptoren og deretter rekruttere klatrin til reseptorkomplekset. Vi får da dannet coated pits (klatrindekkede groper) i cellemembranen. Slike strukturer snøres av fra membranen ved hjelp av dynamin og danner coated vesicles (klatrindekkede vesikler). Klatrin har en triskelion struktur og binding av LDL til reseptoren fører til polymerisering av klatrin. De polymeriserte klatrin molekylene ligner på basketballnett som har pentagon og hexagon- strukturer. Denne polymeriseringsproessen av klatrin bidrar til å lage coated pits, mens dynamin snører den av slik at den blir til en vesikkel. Etter at vesikkelen er laget, vil klatrinmolekylene falle av og kan derved gjenbrukes. Den nakne transport vesikkelen med LDL/LDL reseptor komplekset vil etterpå fusjonere med et tidlig endosom. På grunn av lavere ph i tidlig endosom, vil LDL og reseptoren dissosiere og LDL reseptoren snøres av fra tidlig endosom og transporteres tilbake til plasmamembranen for gjenbruk. LDL partikkelen vi deretter ende opp i lysosomene og brytes ned. Derved frigjøres kolesterol som går over lysosommembranen og havner ut it cytosol og kan brukes til for eksempel syntese av membraner. Spørsmål 3 En form for familiær hyperkolesterolemi skyldes en genetisk defekt i genet som koder for LDL reseptoren. I de fleste tilfeller har celler fra disse pasientene LDL reseptorer som kan binde LDL partikler, men de er ikke i stand til å transportere partiklene inn i cellen. Grunnen til dette er oftest at adaptin ikke kan binde seg til LDL reseptoren. Derved kan heller ikke klatrin rekrutteres og derved kan ikke internaliseringen skje på normal måte. Dette resulterer i høye kolesterolverdier i blod og tidlig hjerteinfarkt.

12 Oppgave 3 sensurveiledning: Reseptorer er frie nerveendinger eller nerveendinger knyttet til hårrøtter eller spesielle sensoriske legemer (Merkel Meisner, Ruffini, Pacini). Ionekanaler. Mekanosensitive ionekanaler i reseptor åpnes og gir depolarisering (reseptorpotensial) som deretter åpner spenningsfølsomme Na kanaler som inaktiveres raskt og derved er ansvarlig for aksjonspotensialet. Det selvregenererende aksjonspotensialet går inn til ryggmargen via perifert og deretter sentral aksongren (i pseudounipolar celle). Styrke formidles ved en økning i reseptorpotensialets amplitude, noe som medfører økning i aksjonspotensialenes frekvens. I tillegg vil en kraftig endring (fra berøring til klyp) også aktivere flere typer reseptorer, først hår, deretter hudens berørings/trykk respeptorer og til sist smertereseptorer som gir en endring i opplevd kvalitet. Smertereseptorer i form av frie nerveender (registrere skade eller biokjemisk ubalanse i form av verk og smerte, C fibre/a delta ), muskespole/muskelspindel (Ia, II fibre, måler musklenes lengde/grad av strekk), senespole (Ib fibre, forhindre for sterk kraftutvikling). Gamma motor fibre er en viktig efferent bane som kontrollerer lengden av de intrafusal muskelfibre i muskelspolen. Ia internevroner hemmer antagonistiske muskler i senerefleksen. Et nettverk av internevroner hemmer ektsensorer ipsilateralt og fleksorer kontralateralt og stimulerer kontralaterale ekstensorer i fleksjonsrefleksen. Se figurer. Motornevron OG alle muskelfibre den innerverer. A) mange motornevroner og få fibre per enhet gir god finkontroll B) få motornevroner og mange fibre per enhet gir effektiv rask og uttalt kraftutvikling. Gradvis rekruttereres flere motornevroner (først små, deretter større). I tillegg øker fyringsfrekvensen kraftig.

13 Oppgave 4 sensurveiledning: Blodcellene produseres i voksen alder i beinmargen. I fosterlivet finnes stamcellene for blodproduksjon først i plommesekken, så i store kar (aorta), så i lever og milt og til slutt i beinmargen. 1 poeng Alle blodceller dannes fra en felles stamcelle, som ved celledeling (proliferasjon) og modning (differensiering) gir opphav til modne, funksjonelt kompetente røde og hvite blodceller og blodplater. 1 poeng Stamceller er karakterisert ved : Evne til selvfornyelse. Stor evne til celledeling/proliferasjon. Evne til å gi opphav til flere celletyper eller cellelinjer (multipotens). Manglende funksjon. 2 poeng Regulering skjer ved at cellene uttrykker membranreseptorer for mer eller mindre linjespesifikke vekstfaktorer eller cytokiner. 1 poeng Vekstfaktorer/cytokiner er små proteiner som lages bla. av stromaceller og andre blodceller i margen, men også utenfor beinmargen, for eksempel i nyre og lever. Eksempler på slike vekstfaktorer er erytropoietin (Epo), G-CSF, M-CSF, og trombopoietin (TPO). 1 poeng Celler som uttrykker riktig vekstfaktor/cytokinreseptor stimuleres til deling og differensiering, og også ofte til økt funksjon, når cytokinreseptoren binder den riktige vekstfaktoren. 1 poeng. Når reseptoren har bundet riktg ligand/vekstfaktor, går det et signal fra den intracellulære delen av reseptoren inn i cellen som aktiverer spesielle transkripsjonsfaktorer, som er DNAbindende proteiner. 1 poeng. Transkripsjonsfaktorer regulerer gentranskripsjon (genavlesningsmønsteret) som gir den differensierte cellen sitt proteinmønster og dermed sin funksjon. Vekstfaktorene bestemmer og driver altså linjespesifikk cellemodning til røde, granulocytter, monocytter, lymfocytter og blodplater ved å avgjøre hvilke transkripsjonsfaktorer som aktiveres når, og derved hvilke gener som avleses. 3 poeng.