Det medisinske fakultet Universitetet i Oslo

Transkript

1 Det medisinske fakultet Universitetet i Oslo Ordinær eksamen, MEDSEM/ODSEM/ERNSEM2 Vår 2011 Onsdag 15. juni 2011 kl. 09:00-15:00 - BOKMÅL Oppgavesettet består av fem (5) sider, inklusive Vedlegg 1 Viktige opplysninger: Hjelpemidler: kalkulator av typen Citizen SR-270X. Oppgavesettet utgjør totalt 100 vekttall. Antall vekttall er vist i parentes ved hver spørsmålsgruppe. Oppgave A (16 vekttall) Sigdcelleanemi er en medfødt sykdom. Årsaken er en punktmutasjon i genet som koder for en av subenhetene i hemoglobin. Hemoglobin er en heterotetramer som sørger for oksygentransport i blodet. Binding av oksygen til hemoglobin er allosterisk regulert. 1. Forklar hvordan ulike punktmutasjoner i DNA kan føre til endringer i proteiners endelige struktur og funksjon. 2. Mutasjonen som gir sigdcelleanemi fører til at glutamat byttes ut med valin i en av subenhetene i hemoglobin. Gjør rede for hvordan denne endringen fører til sigdcelleanemi. 3. Forklar begrepene: i) heterotetramer ii) allosterisk regulering. 4. Hva påvirker allelfrekvenser i en populasjon? 5. I noen populasjoner finnes mutasjonen i oppgave 2 i en relativt høy frekvens. Hvordan kan dette forklares? Oppgave B (19 vekttall) 6. Beskriv hvordan bakterielle gener er organisert i transkripsjonsenheter (operoner). 7. Gjør rede for genreguleringen av lac-operonet. 8. Gjør rede for kobling av aminosyrer til deres respektive trna-molekyler. 9. Forklar hvordan erytromycin og trimetoprim påvirker prokaryote celler. 10. Forklar hva en restriksjonsfragmentlengdepolymorfisme (RFLP) er. Omtrent halvparten av det humane genomet består av høyt repeterte, spredte sekvenselementer. 11. Gi en kort beskrivelse av klassene av slike repeterte sekvenser. Side 1 av 5

2 Oppgave C (6 vekttall) 12. Cytoskjelettet består av tre hovedtyper filamenter. Gjør rede for molekylær oppbygning av disse tre typene. 13. Nevn noen roller disse tre hovedtypene av filamenter spiller ved celledeling. Oppgave D (12 vekttall) 14. Hva betyr det at et hormon er lipofilt? Navngi et par lipofile hormoner. 15. Beskriv den generelle virkningsmekanismen for lipofile hormoner. Vekstfaktorer er signalmolekyler som blant annet kan føre til celleproliferasjon, cellevekst og celleoverlevelse. 16. Gi et eksempel på en type reseptor og signalvei som aktiveres når cellen mottar et overlevelsessignal. Bruk gjerne en tegning. Mange intracellulære signalproteiner fungerer som molekylære brytere som slår av og på den biologiske aktiviteten til effektorproteiner. 17. Nevn to mekanismer som gjør at intracellulære signalproteiner kan fungere som molekylære brytere. Oppgave E (13 vekttall) Kreftutvikling skyldes gjerne mutasjoner i gener som regulerer celledeling og celledød. 18. Beskriv morfologiske karakteristika ved henholdsvis nekrose og apoptose. 19. Forklar hvordan caspaseaktivering kan resultere i fragmentering av DNA ved apoptose. 20. Forklar hvordan degradering av proteiner i cellesyklusmaskineriet regulerer R-punktet i G Forklar hvordan mutasjoner i genet som koder for p53 kan føre til mutasjoner i andre gener. Oppgave F (13 vekttall). Glykogen har en sentral rolle i vår intermediære metabolisme. 22. Skisser glykogenmolekylets struktur, og gjør rede for glykosidbindingene som inngår i molekylet. Angi en sammenheng mellom glykogenmolekylets struktur og glykogenets metabolske funksjoner. 23. Forklar hvordan glykogenmetabolismen i lever reguleres av glukagon og adrenalin. Hvorfor er en kaskademekanisme nyttig i denne sammenhengen? Side 2 av 5

3 24. I vår intermediære metabolisme er det ofte slik at regulatoriske enzymer katalyserer termodynamisk koblede reaksjoner, som skissert under: A B B C Nettoreaksjon: A C ΔG o = kj/mol ΔG o = -44.7kJ/mol Begrunn hvorfor de følgende svaralternativer er korrekte eller ikke korrekte hva angår nettoreaksjonen A C: a) ΔS o må bli negativ b) K eq er << 1 c) Reaksjonen vil gå spontant fra A C d) Reaksjonen er endergon. e) K eq >> 1 I skjelettmuskel hos et individ med Luft s sykdom (sjelden arvelig sykdom) observeres unormalt store mitokondrier med meget tett foldet innermembran. Den basale mitokondrielle ATPase aktiviteten er 10 ganger høyere enn normalt. Nærmere undersøkelser viser at disse mitokondriene har delvis frikoblet respirasjon. 25. Hvilke(t) av de følgende utsagn er korrekte eller ikke korrekte. Begrunn alle dine svaralternativer. a) ATP nivået i mitokondriene er lavere enn normalt. b) KCN vil hemme elektrontransporten. c) Protongradienten over den indre mitokondrielle membranen er større enn normalt. d) Dette mennesket har en kroppstemperatur som er høyere enn normalt. Oppgave G (6 vekttall). 26. Vurder de tre tenkte tilfellene nedenfor og kommenter hvordan intracellullær- og ekstracellulærvæskenes volum og osmolalitet påvirkes: a) Du drikker eller infunderer 1,5 liter 0,9% NaCl i vann (290 mosm). b) Du drikker 1,5 liter rent vann. c) Du spiser tilsvarende mengde NaCl som i tilfelle a) ovenfor, uten å drikke noe vann. 27. Hvilket av tilfellene i oppgaven over er mest effektiv for å øke ekstracellulærvæskens volum? Hvorfor? Oppgave H (6 vekttall). 28. Nevn minst to karakteristiske trekk som er typiske for oppbygningen av epitelvev. Hvilke to ulike hovedtyper organer er basert på epitelvev? 29. De fire bildene A-D (vedlegg 1) viser fire typer epitelvev. Hvilken type epitelvev finnes på hvert av disse bildene? Basert på oppbygningen: Hvilken funksjon kunne man tenke seg at disse typer epitel kan ha? Side 3 av 5

4 Oppgave I (9 vekttall). 30. Beskriv mekanismene i den nevromuskulære synapsen som fører til at de tilstedeværende synaptiske vesiklene blir fylt opp med nevrotransmitteren acetylkolin. Synaptiske vesikler i nerveterminaler blir vanligvis organisert som to ulikt store vesikkelgrupper (såkalt lager av reservevesikler, og frisettbart lager av vesikler) 31. Beskriv mekanismene som er ansvarlige for sammensmelting (fusjon) mellom de frisettbare vesiklers membraner og plasmamembranen. 32. Beskriv hvorledes transmitteren ved å binde seg til postsynaptiske membraner i nerve-muskelsynapsen fremkaller muskelkontraksjon. Det medisinske fakultet, Oslo, 24. mai 2011 Harald Osmundsen Signatur leder av eksamenskommisjon Side 4 av 5

5 Vedlegg til Ordinær eksamen, MEDSEM/ODSEM/ERNSEM2 Vår 2011 Vedlegg til oppgave 29: A B C D Side 5 av 5

6 Det medisinske fakultet Universitetet i Oslo Ordinær eksamen, MEDSEM/ODSEM/ERNSEM2 Vår 2011 Onsdag 15. jun kl. 09:00-15:00 - SENSORVEILEDNING Oppgavesettet består av fem (5) sider, inklusive Vedlegg 1 Viktige opplysninger: Hjelpemidler: kalkulator av typen Citizen SR-270X. Oppgavesettet utgjør totalt 100 vekttall. Antall vekttall er vist i parentes ved hver spørsmålsgruppe. Oppgave A (16 vekttall) Sigdcelleanemi er en medfødt sykdom. Årsaken er en punktmutasjon i genet som koder for en av subenhetene i hemoglobin. Hemoglobin er en heterotetramer som sørger for oksygentransport i blodet. Binding av oksygen til hemoglobin er allosterisk regulert. 1. Forklar hvordan ulike punktmutasjoner i DNA kan føre til endringer i proteiners endelige struktur og funksjon. Svar: Noen punktmutasjoner er såkalte silent mutasjoner, dvs de ender ikke proteinets aminosyrerekkefølge og derved heller ikke proteinets struktur og funksjon. Dette er fordi flere kodon koder for samme aminosyre. En punktmutasjon kan imidlertid føre til at kodon endres til å kode for en annen aminosyre eller et stoppkodon. Aminosyrerekkefølgen (primærstrukturen) er avgjørende for proteinets endelige form da de kan inngå i ulike bindinger (f.eks. Hydrogen-bindinger, Ionebindinger, Hydrofobe interaksjoner, Disulfidbindinger) som igjen bestemmer polypeptidkjedens sekundær- og tertiærstruktur. I noen tilfeller kan post-translasjonelle modifikasjoner (f.eks glykosylering, phosphorylering, ubiquitinering, fettsyre-modifiseringer) også påvirke et proteins funksjonelle struktur. Noen studenter vil også nevne at rammeskift-mutasjoner vil kunne gi endret primærsekvens fra det punktet mutasjonen er lokalisert og vil ofte i tillegg innføre et stoppkodon i den nye leserammen. Videre kan en punktmutasjon i et spleisesete resultere i at spleisingen ikke blir utført på korrekt måte. Resultatet kan være at sekvensen fra et ekson uteblir i det bearbeidete transkriptet (exon skipping). Alternativt kan transkriptet spleises ved et sete som har likhet med et spleisete (kryptiske spleiseseter). Spleising til slike seter innebærer ofte at intronsekvenser inkluderes i det ferdige mrna. Fordi disse delene av transkriptet ofte inneholder stoppkodon, fører dette vanligvis til produksjon av et for kort protein. 2. Mutasjonen som gir sigdcelleanemi fører til at glutamat byttes ut med valin i en av subenhetene i hemoglobin. Gjør rede for hvordan denne endringen fører til sigdcelleanemi. Svar: Sigdcelle anemi: punktmutasjon som fører til endring av aminosyre 6 i β2-globin kjeden av hemoglobin fra glutamat til valin. Glutamat er en negativt ladet sidekjede og kan inngå i ionebindinger eller hydrogenbindinger med vann og andre sidekjeder. Valin er en hydrofob aminosyre og interagerer med andre hydrofobe sidekjeder og ekskluderer vann. Side 1 av 13

7 Molekylær forklaring på sigdcelleanemi: Valin (hydrofob) i β2-kjeden danner en klump på overflaten til de-oksygenert hemoglobin som passer i en hydrofob lomme på β1-subenheten av et annet hemoglobinmolekyl. Et tredje hemoglobinmolekyl binder til de to andre via polare interaksjoner, binder igjen et fjerde Hb via valin etc. Fører til polymerisering og dannelsen av lange fibre. Medisinsk forklaring (vaso-occlusive crisis): hemoglobinmolekylene i røde blodceller polymeriserer i kapillærlumen hvor det er lite oksygen. De røde blodcellene forandrer da form fra normal biconcave disc til en sigdcelle form. Dette fører til at cellene aggregerer og stenger blodtilførselen. Tetning av små blodårer i flere vev kan føre til vevsødeleggelse. 3. Forklar begrepene: i) heterotetramer ii) allosterisk regulering. Svar: Heterotetramer; et protein bestående av fire subenheter hvor ikke alle er like. Allosterisk regulering: Allosteriske proteiner har ofte to eller flere subenheter hvor hver subenhet kan ha ett eller flere allosteriske seter. Binding av et substratmolekyl (i dette tilfellet oksygen) til et allosterisk protein vil påvirke tendensen til å binde det neste substratmolekyl. Effekten formidles via endringer i proteinets romlige struktur (konformasjon). 4. Hva påvirker allelfrekvenser i en populasjon? Svar: Studentene forventes kort å forklare de følgende punkter: - Migrasjon (folkeforflytninger), - Genetisk drift (liten populasjon, flaskehalser, grunnlegger effekter) - Mutasjonsfrekvens - Seleksjon - Ikke-tilfeldig forplantning 5. I noen populasjoner finnes mutasjonen i oppgave 2 i en relativt høy frekvens. Hvordan kan dette forklares? Svar: Sigdcellemutasjonen er en stabil polymorfisme fordi i områder med malaria gir en kopi av HbS allelet en fordel (positiv seleksjonspress). Heterozygote (bærere av mutasjonen) har resistens mot malaria (parasitt som lever i røde blodceller). Wt (HbA) med malaria: røde blodceller danner utløpere som fører til tetning av blodårene -> oksygen mangel -> celledød Heterozygot (HbA/HbS): HbS aggregerer og danner lange fibre (mindre utpreget enn homozygot HbS/HbS som gir sigdcelleanemi) -> cellene gjenkjennes og ødelegges i milten - > også parasitten dør Oppgave B (19 vekttall) 6. Beskriv hvordan bakterielle gener er organisert i transkripsjonsenheter (operoner). Svar: Et operon er en del av bakteriens DNA som består av en gruppe gener som blir transkribert til ett mrna. Genene koder for proteiner som i felleskap utfører en funksjon. Genene blir regulert av en promoter. Resultatet blir at genene som er en del av operonet blir transkribert sammen og i like store mengder. En tegning som skissert i sensorveiledning for oppgave 7 vil også være en tilfredsstillende besvarelse. 7. Gjør rede for genreguleringen av lac-operonet. Svar: Studentene skal beskrive minst 2 situasjoner: I) Bakterien har rikelig tilgang på glukose. Repressor produsert fra I-genet binder seg til operator og hindrer RNA-polymerasen i å binde seg til promoter, og hindrer derved transkripsjonen. Dette er beskrevet i figur (a) nedenfor. Side 2 av 13

8 II) Bakterien har ikke tilgang på glukose, men har tilgang på laktose. Laktose (inducer) vil binde seg til repressor og endre dens 3-dimensjonale struktur, slik at repressor ikke lenger vil binde seg til operator. Videre vil camp øke i cellen. camp binder seg til CAP som deretter binder seg til promoter for å fremme transkripsjonen via RNA-polymerasen. Vi får dannet mrna og proteiner som hjelper bakterien med å danne glukose og galaktose fra laktose. Dette er beskrevet i figur (c) nedenfor. 8. Gjør rede for kobling av aminosyrer til deres respektive trna-molekyler. Svar: Aktivering og kobling av aminosyrer til deres respektive trna-molekyler skjer ved hjelp av enzymene aminoacyl-trna syntetaser. Disse enzymene katalyserer følgende reaksjoner: amino acid + trna + ATP aminoacyl-trna + AMP + PPi Studentene bør beskrive at det er karboksylsyregruppen på aminosyren som bindes til 3 - enden på trna. 9. Forklar hvordan erytromycin og trimetoprim påvirker prokaryote celler. Svar: Erytromycin hindrer translasjonen i prokaryote celler ved at den hidrer translokasjonen som er en del av elongeringen. Trimethoprim hemmer bakteriell dihydrofolat reduktase (DHFR). DHFR reduserer dihydrofolat til tetrahydrofolat, en reaksjon som kreves for at folat skal kunne benyttes som et koenzym i nukleotidsyntesen. Dette innbærer at trimetoprim vil redusere mengden substrater for replikasjon og transkripsjon i prokaryote celler. 10. Forklar hva en restriksjonsfragmentlengdepolymorfisme (RFLP) er. Svar: Restriksjonsfragmentlengdepolymorfisme (RFLP) er en teknikk som undersøker variasjoner i DNA ved å kutte DNA i fragmenter ved hjelp av restriksjonsenzymer. Restriksjonsenzymene gjenkjenner spesifikke restriksjonsseter og kutter DNA. Endring av DNA-sekvensen i et restriksjonssete gjør at restriksjonsenzymet ikke vil kutte DNA i dette setet. Som resultat vil man påvise DNA fragmenter med forskjellig lengde avhengig av om restriksjonssetet er intakt eller ikke. Side 3 av 13

9 Omtrent halvparten av det humane genomet består av høyt repeterte, spredte sekvenselementer. 11. Gi en kort beskrivelse av klassene av slike repeterte sekvenser. Svar: Det er forventet at studentene nevner de følgende fire klasser: - LINE (Long interspersed nuclear elements) finnes i nesten en million kopier i det humane genomet (utgjør til sammen 21%). En full-lengde LINE er 6-8kb i utstrekning. - SINE(Short interspersed nuclear elements) finnes i over en million kopier i det humane genomet (13%). SINE er bp i utstrekning. - LTR retroposon (Retroviruslignende elementer) er 1,5-11kb i utstrekning og finnes i nesten en halv million kopier i det humane genomet (8%). - TE (Transposonliknende elementer) er opp til 3kb i utstrekning og det finnes ca en kvart million TE kopier i det humane genomet (3%). Alle disse 4 elementene finnes spredt i det humane genomet og utgjør til sammen ca 45% av genomsekvensen. Full-lengde kopier av LINE, TE og LTR-elementene inkluderer gener som koder for enzymer som kan muliggjøre forflytting innen genomet, enten direkte av DNA elementet (TE), eller via et RNA-transkript (LINE og LTR). Oppgave C (6 vekttall) 12. Cytoskjelettet består av tre hovedtyper filamenter. Gjør rede for molekylær oppbygning av disse tre typene. Svar: De tre hovedtyper filamenter i cytoskjelettet er a) aktinfilamenter (mikrofilamenter), b) mikrotubuli og c) intermediære filamenter. Aktinfilamentene er bygget opp av enkeltmolekyler av globulært aktin (G-aktin), som har polymerisert i lange kjeder. Polymerisert aktin kalles F- aktin, og filamentet består av to tråder av aktimolekyler i en spiral. Aktinmolekylene har samme retning i filamentet. Filamentet har derfor også en retning, de to endene beskrives + og -. Filamentet vokser raskest i +-enden. G-aktin molekyler koblet til ATP vil spontant polymerisere til F-aktin. Raskt etter polymerisering hydrolyseres ATP til ADP +Pi. ADP-aktin er mer ustabilt i filamentet, og vil raskt depolymerisere med mindre endene på filamentet er stabilisert ( cappet ). Mikrotubuli er rørformede filamenter bygget opp av dimerer av alfa- og beta-tubulin. Disse polymeriserer til rette enkeltfilamenter (protofilamenter) men alltid i en rørstruktur der 13 parallelle protofilamenter danner hele filamentet. Tubulin-dimerene i fri form er koblet til GTP, som på samme måte som for aktin raskt hydrolyseres til GDP+Pi etter polymerisering, deretter blir filamentet ustabilt og depolymeriserer hvis ikke endene er stabilisert. Mikrotubuli (ikke alle) vokser ut fra sentrosomet, som inneholder ringer av gamma-tubulin. Mikrotubuli har også retning, der minus-enden starter i sentrosomet. Intermediære filamenter er bygget opp av ulike grunnenheter, som igjen inngår i fire familier; keratin-, vimentin-, nevrofilament- og lamin-familiene. I motsetning til aktin- og tubulinmolekylene, som er globulære, har grunnenhetene i intermediærfilamentene en avlang form. Først binder to molekyler til hverandre parallelt ved å tvinne seg i en coiled-coil struktur. Den resulterende dimeren binder seg så til en annen dimer i antiparallell retning. Deretter binder tetramerene hverandre i hode/hale slik at det dannes lange polymerer. Et intermediært filament består av åtte slike polymerer. På grunn av den antiparallelle strukturen av tetramerene mangler intermediærfilamentene retning, og er derfor uegnet til å interagere med motorproteiner. 13. Nevn noen roller disse tre hovedtypene av filamenter spiller ved celledeling. Svar: Laminer (intermediære filamenter) danner et stillas på innsiden av kjernehylsteret. Laminene depolymeriserer delvis ved mitose, slik at kjernehylsteret brytes ned til mindre komponenter bundet til laminer. Disse bygges sammen til et nytt kjernehylster etter celledeling. Aktinskjelettet danner en kontraktil ring som snører de to dattercellene av fra hverandre. Mikrotubuli er nødvendige for dannelsen av to poler i cellen, og sortering av kromosomene til disse to polene. Side 4 av 13

10 Oppgave D (12 vekttall) 14. Hva betyr det at et hormon er lipofilt? Navngi et par lipofile hormoner. Svar: Et lipofilt hormon er ikke vannløselig, men derimot fettløselig, noe som medfører at det kan gå gjennom cellemembranen. I blodet må slike hormoner fraktes med et bærerprotein. På innsiden av cellen blir hormonet umiddelbart bundet til en reseptor som så vandrer inn i cellekjernen. Avhengig reseptortypen, vil reseptoren noen ganger befinne seg i kjernen. I dette tilfellet vil hormonet bindes til et chaperoneprotein som frakter det til kjernen hvor det vil bli avlevert til reseptoren. Eksempler på lipofile hormoner er steroidhormonene og thyroidea hormonene (samt Vitamin D og A). 15. Beskriv den generelle virkningsmekanismen for lipofile hormoner. Svar: Når de lipofile hormonene er bundet til sin reseptor, dimeriseres disse og bindes deretter til promotoren til spesifikke gener som derved aktiveres. Det kan dannes homo- og heterodimerer. Det DNA-bindene domene i denne type reseptorer inneholder zinkfingre, noe man også finner i andre DNA bindene proteiner/transkripsjonsfaktorer. Vekstfaktorer er signalmolekyler som blant annet kan føre til celleproliferasjon, cellevekst og celleoverlevelse. 16. Gi et eksempel på en type reseptor og signalvei som aktiveres når cellen mottar et overlevelsessignal. Bruk gjerne en tegning. Svar: Det er en reseptor tyrosin kinase som aktiveres når cellen mottar et overleveslsessignal. Liganden (vekstfaktoren) fører til at to reseptormolekyler dimeriserer og kryssfosforylerer hverandres katalyttiske domene som derved blir ytterligere aktivert. De katalyttiske domenene auto-kryssfosforylerer deretter reseptoren på seter utenfor det katalyttiske domene. De fosforylerte tyrosinene kan nå fungere som bindingssete for proteiner med SH2 domene. Et slikt protein er P1 3-kinase som blir aktivert ved binding til reseptoren. PI 3-kinase fosforylerer et inositol fosfolipid (PI 4,5-bisfosfat) som sitter i membranen slik at det blir dannet PI 3,4,5-trisfosfat. Dette molekylet fungerer som "docking site" for to kinaser, protein kinase 1 og Akt. Protein kinase 1 fosforylerer Akt. Akt blir samtidig fosforylert av en kinase i cytoplasma. Dette fører til at Akt blir aktivert og slipper taket i PI 3,4,5-trisfosfat. Aktiv Akt fosforylerer nå et apoptosefremmende protein Bad som derved blir inaktivert. Samtidig slipper Bad taket i Bcl2 som er en inhibitor av apoptose. Man får altså hemmet apoptose og fremmet overlevelse. Mange intracellulære signalproteiner fungerer som molekylære brytere som slår av og på den biologiske aktiviteten til effektorproteiner. 17. Nevn to mekanismer som gjør at intracellulære signalproteiner kan fungere som molekylære brytere. Svar: Intracellulære signalproteiner kan fungere som intracellulære brytere ved to forskjellige mekanismer: A) De kan binde GTP som fører til aktivering av proteinet (bryter på) samtidig som de kan hydrolysere GTP til GDP. Når GDP er bundet er proteinet inaktivt (bryter av). B) De intracellulære signalproteinene kan fosforyleres og derved aktiveres (bryter på) og inaktiveres ved defosforylering (bryter av). Oppgave E (13 vekttall) Kreftutvikling skyldes gjerne mutasjoner i gener som regulerer celledeling og celledød. 18. Beskriv morfologiske karakteristika ved henholdsvis nekrose og apoptose. Svar: Nekrose: Cellen sveller, cellememembranen går i stykker, innholdet i cellen forårsaker betennelse i omkringliggende vev. DNA brytes ned vilkårlig. Side 5 av 13

11 Apoptose: Cellen skrumper, inntakt cellemembran og dermed ingen betennelse. Cellen kan fragmenteres i apoptotiske legemer (små cellepakker med inntakt membran). DNA fragmenteres i 200 bp fragmenter som ses som stigemønster ved elektroferese. 19. Forklar hvordan caspaseaktivering kan resultere i fragmentering av DNA ved apoptose. Svar: Caspaser kan degradere proteinet ICAD. ICAD = inhibtior of caspase-activated DNAse. Når ICAD degraderes, vil DNAsen bli aktivert og DNA fragmentert (spaltet mellom nukleosomene). 20. Forklar hvordan degradering av proteiner i cellesyklusmaskineriet regulerer R-punktet i G1. Svar: Degradering av CKIer (for eksempel p16 eller p27) vil aktivere CDKene som fosforylerer prb. Dermed vil prb frigjøre E2F, og cellen passerer R-punket i G Forklar hvordan mutasjoner i genet som koder for p53 kan føre til mutasjoner i andre gener. Svar: P53 utgjør DNA-skadeskjekkpunktet i cellen. Når det oppstår DNA skade vil p53 stabiliseres/aktiveres, og p53 transkriberer en rekke gener som fører til at cellen stopper i G1(via p21), reparerer DNA (via GADD45) eller induserer apoptose (via bax). Dette hindrer at DNA-skade skal resultere i nye mutasjoner i cellen. Ved mutasjon i p53 vil ikke p53 kunne transkribere de nevnte genene, og DNA-skadeskjekkpunktet fungerer ikke. Dermed vil cellen kun dele seg med skadet DNA, og mutasjoner i nye gener vil kunne oppstå. Oppgave F (13 vekttall). Glykogen har en sentral rolle i vår intermediære metabolisme. 22. Skisser glykogenmolekylets struktur, og gjør rede for glykosidbindingene som inngår i molekylet. Angi en sammenheng mellom glykogenmolekylets struktur og glykogenets metabolske funksjoner. Svar: Glykogenmolekylet er en glukosepolymer. Glukosemonomerene (glukosylenhetene) er bundet sammen i lineære kjeder ved hjelp av α-1-4 glykosidbindinger. Langsmed disse kjedene er det forgreningspunkter, som dannes ved hjelp av α-1-6 glykosidbindinger. Et pluss om det nevnes det at lineære kjedene er ca. 13 glukosylenheter lange med to α-1-6- forgreningspunkter men ikke forventet. Glykogenmolekylet blir dermed en buskformet struktur med en enkelt reduserende ende (dvs en ende som utgjøres av karbonatom nr. 1 en glukosylmonomer) og mange ikkereduserende ender (glukosylenheter med fri OH-gruppe på karbonatom nr. 4) som danner endepunktene i de lineære kjedene i buskstrukturen. Sammenhengen: All metabolisme av glykogen (glyogeneolyse og glykogensyntese) skjer med utgangspunkt i alle de ikke-reduserende endene i buskstrukturen. Dermed blir det mange angrepspunkter for eksempelvis glykogenfosforylase. Det betyr at glykogenmolekylet kan brytes ned (alternativt bygges opp) på mange punkter samtidig. Følgelig kan relativt store mengder glukose omsettes på kort tid, og leverglykogen kan effektivt brukes til for. eks. bufring av blodglukose. Om glykogenmolekylet hadde vært lineært (som amylose) hadde ikke dette vært mulig. Side 6 av 13

12 23. Forklar hvordan glykogenmetabolismen i lever reguleres av glukagon og adrenalin. Hvorfor er en kaskademekanisme nyttig i denne sammenhengen? Svar: Side 7 av 13

13 Kaskademekanismen er nyttig fordi den på kort tid forsterker et signal fra et hormon som er til stede ved en relativt lav blodkonsentrasjon til en kraftig intra-cellulær respons, som for eks aktivert glykogenfosforylase. Hvert trinn i kaskaden fungerer som et signalforsterkningsledd desto flere ledd i kaskaden desto kraftigere signalforsterkning. Side 8 av 13

14 24. I vår intermediære metabolisme er det ofte slik at regulatoriske enzymer katalyserer termodynamisk koblede reaksjoner, som skissert under: A B B C Nettoreaksjon: A C ΔG o = kj/mol ΔG o = -44.7kJ/mol Begrunn hvorfor de følgende svaralternativer er korrekte eller ikke korrekte hva angår nettoreaksjonen A C: a) ΔS o må bli negativ b) K eq er << 1 c) Reaksjonen vil gå spontant fra A C d) Reaksjonen er endergon. e) K eq >> 1 Svar: a) Galt. Ut fra fakta som foreligger (ikke noe er oppgitt vedr. ΔH) er det ikke mulig å si noe om ΔS. b) Galt. Keq kan ikke være << 1 når ΔGo for netto reaksjonen er c) Korrekt, med ΔGo = 22.2 for nettoreaksjonen blir dette en spontan reaksjon. d) Galt. Nettoreaksjonen har ΔGo = Det betyr at reaksjonen vil avgi varme til omgivelsene. En endergon reaksjon gjør det motsatte tar opp varme fra omgivelsen og er ikke-spontan. e) Korrekt; en reaksjon med K eq >>1 innbærer at den ligger langt over til høyre, d.v.s. at mye av A blir omdannet til C. I skjelettmuskel hos et individ med Luft s sykdom (sjelden arvelig sykdom) observeres unormalt store mitokondrier med meget tett foldet innermembran. Den basale mitokondrielle ATPase aktiviteten er 10 ganger høyere enn normalt. Nærmere undersøkelser viser at disse mitokondriene har delvis frikoblet respirasjon. 25. Hvilke(t) av de følgende utsagn er korrekte eller ikke korrekte. Begrunn alle dine svaralternativer. a) ATP nivået i mitokondriene er lavere enn normalt. b) KCN vil hemme elektrontransporten. c) Protongradienten over den indre mitokondrielle membranen er større enn normalt. d) Dette mennesket har en kroppstemperatur som er høyere enn normalt. Svar: a) Korrekt; med delvis frikoblet respirasjon vil det dannes mindre ATP enn normalt. En andel av ATPasen i delvis frikoblede mitokondrier vil fungere som ATPase og hydrolysere ATP (ikke fosforylere ADP+Pi til ATP) som måtte foreligge. Mitokondriene vil derfor inneholde mindre ATP. b) Korrekt. KCN er en irreversibel hemmer av kompleks IV. Dette er ikke noe i foreliggende fakta som tilsider at så ikke er tilfelle med disse mitokondriene. c) Feil. Fordi mitokondriene er delvis frikoblede kan H+ passere tilbake gjennom den indre mitokondrielle membranen uten å gå gjennom protonkanalen i den mitokondrielle ATPasen. Følgelig vil protongradienten i disse mitokondriene være mindre enn den normalt skulle være. Side 9 av 13

15 d) Korrekt. Med delvis frikoblede mitokondrier vil en større andel av energien fra elektrontransporten omdannes til varme i stedet for å bli konservert som ATP. Derfor er det sannsynlig at kroppstemperaturen hos dette individet vil være høyere enn normalt. Oppgave G (6 vekttall). Svar: 26. Vurder de tre tenkte tilfellene nedenfor og kommenter hvordan intracellullær- og ekstracellulærvæskenes volum og osmolalitet påvirkes: a) Du drikker eller infunderer 1,5 liter 0,9% NaCl i vann (290 mosm). b) Du drikker 1,5 liter rent vann. c) Du spiser tilsvarende mengde NaCl som i tilfelle a) ovenfor, uten å drikke noe vann. a)denne væsken har omtrent samme osmolalitet som plasma. NaCl-løsningen fordeles først i ekstracellulærvæsken (plasma+interstitiet). Siden osmolaliteten i plasma ikke er endret, vil den osmotiske gradient mellom cellene og ekstracellulærvæsken være som før. Dermed vil det tilsatte vannet holde seg i ekstracellulærvæsken, og vi har oppnådd å øke ekstracellulærvæskens volum uten å forandre intracellulærvæskens volum. Altså er plasmavolum økt. b)vannet vil bli tatt opp i tarmene og raskt fordelt i ekstracellulærvæsken. Dermed blir ekstracellulærvæskens volum økt. Vannet vil fortynne ekstracellulærvæsken, og osmolaliteten i denne vil gå ned. En osmotisk gradient vil oppstå mellom ekstracellulær- og intracellulærvæsken, og vann vil bevege seg fra ekstracellulær- til intracellulærvæsken. Ekstracellulærvæskens osmolalitet vil i denne prosessen gå opp mens intracellulærvæskens osmolalitet gå ned til en osmotisk likevekt blir etablert. Vi ser at ved å tilsette 1,5 liter rent vann har vi ikke økt ekstracellulærvæskens volum like mye som da vi tilsatte 1,5 liter saltvann. Vi har heller fortynnet kroppsvæskene og satt ned deres osmolalitet. c)saltet blir tatt opp i tarmene og vil fordeles i ekstracellulærvæsken. Osmolaliteten økes. Dette vil trekke vann ut av intracellulærvæsken til osmotisk likevekt er nådd. Dermed øker vi ekstracellulærvæskens volum uten at vi har inntatt noe vann. Dette har gått på bekostning av intracellulærvæskens volum, som er blitt noe nedsatt. 27. Hvilket av tilfellene i oppgaven over er mest effektiv for å øke ekstracellulærvæskens volum? Hvorfor? Svar: I tilfelle c). Da vi tilsatte 1,5 liter isosmotisk (og isotont) NaCl (tilfelle a), økte vi ekstracellulærvæskens volum med 1,5 liter. Da vi drakk samme mengde rent vann, økte vi også ekstracellulærvæskens volum, men nå mistet vi noe av dette vannet til intracellulærvæsken p.g.a. osmose. I tilfelle c) tilsatte vi like mye NaCl som i tilfelle a), men ikke noe vann. Likevel fikk vi økt ekstracellulærvæskens volum. (Infusjon av en hyperomsotisk løsning vil ha en liknende effekt). Oppgave H (6 vekttall). 28. Nevn minst to karakteristiske trekk som er typiske for oppbygningen av epitelvev. Hvilke to ulike hovedtyper organer er basert på epitelvev? Svar: Epitelvev inneholder ikke ekstracellulærsubstans (kun litt væske i spaltene mellom cellene); er alltid avgrenset fra underliggende vev av en basalmembran; og inneholder ikke blodkar. Epitelvev danner overflater (hud, slimhinner, innsiden av kar, urinveier etc.) og kjertler (både eksokrine og endokrine). Side 10 av 13

16 29. De fire bildene A-D (vedlegg 1) viser fire typer epitelvev. Hvilken type epitelvev finnes på hvert av disse bildene? Basert på oppbygningen: Hvilken funksjon kunne man tenke seg at disse typer epitel kan ha? Svar: A enlaget sylinderepitel; B enlaget plateepitel; C enlaget, flerradet sylinderepitel (også kalt pseudolagdelt epitel) med cilier; D flerlaget plateepitel (uforhornet). I svar på mulig funksjon gis det plusspoeng for et godt resonnement selv om konklusjonene eventuelt avviker noe fra det som stemmer med virkeligheten: Enlaget plateepitel (B) finnes ofte der det foregår passiv diffusjon (lungealveoler, blodkar etc.); enlaget sylinderepitel (A) finnes ofte der det foregår absorbsjon mot en konsentrasjonsgradient (tarm etc.) eller sekresjon (kjertler etc.); flerlaget plateepitel (D) er motstandsdyktig mot mekaniske og andre påkjenninger og gir en tett barriere mot for eksempel uttørking eller infeksjon; enlaget, flerradet epitel med cilier er forbundet med mukociliær transport i luftveiene. Oppgave I (9 vekttall). 30. Beskriv mekanismene i den nevromuskulære synapsen som fører til at de tilstedeværende synaptiske vesiklene blir fylt opp med nevrotransmitteren acetylkolin. Svar: Synaptiske vesikler er i utganspunktet tomme for nevrotransmitter når de fremskaffes i cytoplasma før de skal bli anvendt i exocytose. I nervemuskelsynapsen blir de fylt som følger: 1. Transmitteren blir først produsert i cytoplasma via enzymatisk syntese fra acetylcoa og kolin (enzym: kolin acetyltransferase). 2. ACh så blir transportert inn i vesikkelen ved hjelp av en antiport-mekanisme, som fungerer ved at alle synaptiske vesikler har en ATP-drevet protonpumpe i sine membraner (navn: V-ATPase) som surgjør det indre av vesikkelen ved protontransport fra cytoplasma til vesikkellumen. 3. Alle vesikler har i tillegg sine egne transmittertransportører (her: vesikulær acetylkolintransportør, VAChT), som fungerer i koblet transport ved at protoner inne i vesikkelen blir bundet til VAChT intraluminalt, dette fører til at ACh kan bli bundet på utsiden av vesikelveggen, og en konformasjonsendring bringer så protonet ut i cytoplasma mens ACh bringes inn i vesikkelen. Vedvarende protonlagring inne i vesikkelen er derfor nødvendig for en vedvarende lagring av acetylkolin. Synaptiske vesikler i nerveterminaler blir vanligvis organisert som to ulikt store vesikkelgrupper (såkalt lager av reservevesikler, og frisettbart lager av vesikler) 31. Beskriv mekanismene som er ansvarlige for sammensmelting (fusjon) mellom de frisettbare vesiklers membraner og plasmamembranen. Svar: De frisettbare vesiklene er pr. definisjon vesikler som er tilstede i den aktive sone i terminalen. Følgende trinn for fusjon er nødvendige: 1. Vesiklene har knyttet seg til membranstrukturer ( docking ) og også opparbeidet en forbindelse mellom vesikkel-(v-) SNARE proteiner og mål-membran (target-) SNAREproteiner. 2. Dannelsen av SNARE-komplekset blir så gjennomført, bl.a. ved at vesikkel- og overflatemembranen kommer i nær kontakt og blir nesten sammensmeltet. 3. Selve sammensmeltingen skjer ved at overflatemembranen depolariseres til terskelverdi og derved åpner spenningsregulerte Ca2+-spesifikk kanaler som endrer sin konformasjon og slipper Ca2+-ioner inn i cytoplasma. Disse bindes til et kalsiumbindende vesikkelprotein (synaptotagmin, navnet er ikke nødvendig å kunne). Side 11 av 13

17 4. Kalsium- synaptotagminkomplekset endrer konformasjon, dette tillater vesikkel- og overflatemembranene å smelte sammen, en pore dannes og transmitteren diffunderer ut i synapsespalten. Svar: 32. Beskriv hvorledes transmitteren ved å binde seg til postsynaptiske membraner i nerve-muskelsynapsen fremkaller muskelkontraksjon. 1. Transmitter ACh binder seg til den ligandstyrte postsynaptiske ACh reseptor, som da i hovedsak slipper positive natriumioner fra ut- til innside av membranen. 2. Innsiden blir depolarisert og et endeplatepotensial oppstår. Dette ledes passivt til naboområder i membranen der spenningsregulerte Na+-kanaler åpner seg når terskelverdien nåes. 3. Et vanlig aksjonspotensial dannes, som ledes passivt over hele muskeloverflaten og inn i T-rørene som går gjennom muskelens indre. 4. Inne i T-rørene sitter spenningsfølsomme proteiner (Ca 2 +-kanaler) som åpner seg når aksjonspotensialet passerer, dette gir konformasjonsendring som åpner en ny kalsiumkanal som sitter i veggen til det sarkoplasmatiske retikulum (SR). 5. SR inneholder store mengder kalsium, som nå diffunderer ut i muskelcellenes cytoplasma. I cytoplasma binder Ca 2 + seg til troponin, dette komplekset vil igjen binde seg til tropomyosin. 6. Endring av tropomyosins konformasjon eksponerer bindingsseter mellom myosin og aktinfilamenter, som derfor binder seg til hverandre. 7. Myosin-ATPasen vil under ATP-forbruk endre konformasjon, og derved flytte myosinhodets binding til neste bindingssete. Myosinmolekylene forskyves langs F-aktin filamentene=muskelkontraksjon. Side 12 av 13

18 Vedlegg til Ordinær eksamen, MEDSEM/ODSEM/ERNSEM2 Vår 2011 Vedlegg til oppgave 29: A B C D Side 13 av 13