EKSAMEN I EMNE TBT4102 BIOKJEMI I. 2. desember 2011 kl

Transkript

1 NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR BIOTEKNOLOGI Faglig kontakt under eksamen: Institutt for bioteknologi, Gløshaugen Hanne Jørgensen, tlf EKSAMEN I EMNE TBT4102 BIOKJEMI I 2. desember 2011 kl Hjelpemidler: B1-Typegodkjent kalkulator (med tomt minne) i henhold til liste utarbeidet av NTNU tillatt. Ingen trykte eller håndskrevne hjelpemidler tillatt. Sensurfrist: 23. desember 2011 NORSK VERSJON (BOKMÅL) Oppgave 1 a) Forklar hvordan du ville gått frem for å isolere/rense et protein fra en type celle/vev og hvordan du kunne ha testet om du har isolert riktig protein (det er tilstrekkelig å forklare én mulig fremgangsmåte). Svar bør inneholde følgende punkter (inkludert en kort beskrivelse av metoden/hvorfor det forventes at proteinet blir isolert/påvist med denne metoden): - Frigjøring av protein fra celle/vev. Ødeleggelse av celler/vev for å lage et crude extract, eventuelt kan differensiell sentrifugering være nevnt. - Fraksjonering (utsalting eller en form for kolonnekromatografi bør være beskrevet. Eventuelt elektroforese. Dialyse kan også være nevnt). - Påvisning av protein: gelelektroforese (f.eks. SDS-PAGE, isoelektrisk fokusering el. 2D elektroforese) eller måling av enzymaktivitet eller annen egenskap ved det aktuelle proteinet (f.eks. toksisitet). Side 1 av 10

2 b) De fleste karbohydrater finner man i naturen i en form som kalles polysakkarider. Forklar hva et polysakkarid er og velg deretter et spesifikt polysakkarid som du beskriver detaljert struktur for. Svar: Et polysakkarid er en polymer av monosakkarider (lenket sammen av glykosidiske bånd). Struktur: må ha tegnet eller nøye beskrevet strukturen for et spesifikt polysakkarid, dvs. navngitt polysakkarid må stemme overens med tegnet/beskrevet struktur. Eksempel på polysakkarid kan være: amylose, glykogen, cellulose etc. c) ATP er et viktig molekyl i de fleste typer celler. Hva slags type molekyl er ATP og hvordan ser strukturen ut? (tegn strukturformel). ATP har flere ulike roller i celler. Nevn to eksempler på roller ATP har i en celle og beskriv kort funksjonen til hver rolle. Svar: Type molekyl: nukleotid eller nukleosidtrifosfat. Struktur: Roller ATP kan ha i en celle (2 ulike roller må være beskrevet for fullstendig svar): - Byggestein for RNA (og DNA i formen datp) - Energibærer: ATP er en høy-energi forbindelse som supplerer energi til mange ulike reaksjoner. - Aktivering (eller evt. adenylering/fosforylering) av ulike forbindelser/proteiner: f.eks. aktivering av aminosyrer for syntese av aminoacyl-trna, aktivering av Side 2 av 10

3 fettsyrer for fettsyrekatabolisme, aktivering av glukose for nedbrytning, aktivering av proteiner, f.eks. DnaA og DnaC i replikasjon etc. - Transport: aktiv transport over membraner - Strukturell del av cofaktorer som NAD +, FAD og coenzym A. - Regulering: konsentrasjonen av ATP/ADP/AMP er indikatorer for cellens energi status og er involvert i regulering av mange ulike enzymer/prosesser. camps funksjon som sekundær budbringer kan også være nevnt. d) Biologiske membraner er bygget opp av ulike typer membranlipider. Beskriv hvilke ulike membranlipider som finnes og velg deretter et spesifikt membranlipid som du beskriver strukturen for. Svar: Beskrivelse av membranlipider: Archae eterlipider trenger ikke være nevnt. Svaret kan også inkludere steroler. Struktur for spesifikt membranlipid: bør inkludere navn på membranlipidet og en tegnet/beskrevet struktur i noe detalj. Oppgave 2 a) Hva er PDH (pyruvat dehydrogenase) komplekset? Beskriv hvor i cellen (eukaryot) det befinner seg, hva slags reaksjon det katalyserer og hvilken betydning denne reaksjonen har for cellen. Svar: PDH komplekset er et enzymkompleks som katalyserer oksidering/dekarboksylering av pyruvat til acetyl-coa (Reaksjon med strukturformler ikke nødvendig hvis beskrivelse er korrekt). Befinner seg i mitokondriene hos eukaryote celler. Betydning: er bindeleddet mellom Side 3 av 10

4 glykolysen og sitronsyresyklusen og derfor nødvendig for fullstendig oksidering av glukose. b) Både i glykolysen og i sitronsyresyklusen har man såkalt substrat-nivå fosforylering. Forklar hva som menes med substrat-nivå fosforylering og gi et eksempel på en slik reaksjon fra glykolysen eller sitronsyresyklusen (inkluder strukturer og navn på forbindelser, navn på enzym er ikke nødvendig). Svar: Med substrat-nivå fosforylering menes en reaksjon som innebærer direkte fosforylering av ADP/GDP etc., uavhengig av oksidativ fosforylering. Mulige alternativer: Glykolysens trinn 7 el. 10 eller reaksjon 5 i sitronsyresyklusen. Valgt reaksjon må beskrives med korrekt navn og struktur på substrater/produkter. c) Regulering av glykolysen og glukoneogenesen er koordinert slik at begge prosesser ikke skal foregå samtidig. Et eksempel på dette er reaksjonene katalysert av fosfofruktokinase-1 (PFK-1) og fruktose 1,6-bisfosfatase (FBPase-1). Beskriv hvordan disse to enzymene er regulert og hvilken innvirkning dette har på glykolysen/glukoneogenesen. Svar: PFK-1 inhiberes av høy [ATP] og høy [citrat]. PFK-1 aktiveres av økning i [ADP] og [AMP]. FBPase-1 inhiberes ved høy [AMP]. Høy cellulær [ATP] og [citrat] indikerer at cellen har nok energi og at det derfor ikke er nødvendig å oksidere glukose for ATP produksjon. Høy cellulær [AMP] og [ADP] indikerer et lavt energinivå og derfor et behov for å danne mer ATP ved oksidering av glukose. Side 4 av 10

5 I leveren er PFK-1 og FBPase-1 også regulert av den allosteriske effektoren fruktose 2,6-bisfosfat. PFK-1 aktiveres og FBPase-1 inhiberes av F26BP. Hormonet insulin stimulerer produksjonen av F26BP og dermed også glykolyse. Hormonet glucagon stimulerer nedbrytningen av F26BP og inhiberer dermed glykolysen, mens glukoneogenesen stimuleres. Figurer er ikke nødvendig å gjengi for fullstendig svar. d) Forklar hvilken sammenheng det er mellom glykolysen, sitronsyresyklusen og oksidativ fosforylering i en aerob organisme. Hva er resultatet (sluttproduktet) av disse 3 prosessene? Svar: Sluttproduktet av glykolysen er pyruvat, som ved omdanning til acetyl- CoA av PDH komplekset kan gå inn i sitronsyresyklusen. Dette er sammenhengen mellom glykolysen og sitronsyresyklusen i en aerob organisme. Side 5 av 10

6 I glykolysen og i sitronsyresyklusen (+ PDH komplekset) dannes det reduserte elektronbærere (NADH og FADH 2 ). Disse elektronbærerne donerer elektroner til elektrontransportkjeden. I elektrontransportkjeden fraktes elektronene gjennom flere membranbundne komplekser i den indre mitrokondrielle membran før de doneres til endelig elektronakseptor, O 2. Overføringen av elektroner gjennom kompleksene fører til pumping av elektroner over den indre mitrokondrielle membran og dermed dannelsen av en protongradient. Denne protongradienten driver så ATP syntese ved enzymet ATP synthase. Elektronbærerne NADH og FADH 2 representerer dermed linken mellom glykolysen, sitronsyresyklusen og oksidativ fosforylering. Sluttproduktet av prosessen er dermed ATP (H 2 O + oksiderte elektronbærere kan eventuelt også være nevnt, men er ikke nødvendig for fullstendig svar). Oppgave 3 a) Hva trenger enzymet fatty acid synthase (FAS) for å syntetisere fettsyrer (velg et alternativ): 1) Acetyl-CoA, ATP og NADH + H + 2) Acetyl-CoA, malonyl-coa, ATP og NADH + H + Side 6 av 10

7 3) Acetyl-CoA, NADPH + H + og FADH 2 4) Acetyl-CoA, malonyl-coa og NADPH+H + 5) Acetyl-CoA, malonyl-coa, H 2 O, og NADPH+H + Svar: 4 eller 5 (H 2 O nødvendig for frigjøring av fettsyre fra FAS, men ikke nødvendig å ha med for riktig svar) Hva er riktig rekkefølge på reaksjonene i fettsyresyntesen (velg et alternativ): 1) Dehydrogenering, hydrering, dehydrogenering, thiolyse 2) Kondensering, redusering, dehydrering, redusering 3) Redusering, kondensering, hydrering, redusering 4) Kondensering, dehydrering, redusering, hydrering 5) Dehydrogenering, dehydrering, dehydrogenering, thiolyse Svar: 2 Domenet β-ketoacyl-acp synthase (KS) i fatty acid synthase (FAS) katalyserer hvilken type reaksjon (velg et alternativ): 1) Dehydrogenering 2) Redusering 3) Kondensering 4) Hydrering 5) Dehydrering Svar: 3 b) Beskriv trinn 1 av Calvinsyklusen (inkludert strukturformler og navn på enzym). Svar: Side 7 av 10

8 Enzym: Rubisco. Det er ikke nødvendig å ha med struktur eller navn på mellomforbindelsene for fullstendig svar. c) En fettsyre befinner seg i et fettmolekyl (triacylglycerol) lagret i en fettcelle i kroppen din. Beskriv hva som skjer med denne fettsyren fra den mobiliseres i fettcellen og til den er fullstendig oksidert (det er ikke nødvendig å beskrive alt i detalj, men forklar kort hva som skjer i hvert trinn). Svar: Fullstendig svar bør inkludere følgende punkter og en kort beskrivelse av hva som skjer i hver prosess: 1) Mobilisering av fettsyre i fettcellen Hormonsignal fører til aktivering av hormon-sensitiv lipase som frigjør fettsyrer lagret som triacylglycerol i fettdråper. Fettsyren overføres til blodet og fraktes med serum albumin til celle som utfører oksidasjonen av fettsyren. 2) Aktivering av fettsyren i cytosol og transport inn i mitokondrium Fettsyren aktiveres ved å kobles til CoA og fraktes inn i mitokondrium ved hjelp av carnitine shuttle. 3) β-oksidasjon I mitokondrium brytes fatty acyl-coa ned ved prosessen β-oksidasjon. β-oksidasjon for en mettet fettsyre har fire trinn som repeteres. For hver gang fatty acyl-coa gjennomgår disse 4 trinnene frigjøres 1 acetyl-coa. En 16 C mettet fettsyre vil for eksempel produsere 8 acetyl-coa. (Det er ikke nødvendig å vise trinnene i β-oksidasjon for fullstendig svar). 4) Sitronsyresyklus Acetyl-CoA produsert ved β-oksidasjon går videre til sitronsyresyklusen for fullstendig oksidering. d) Planter utfører en prosess som kalles fotofosforylering. Forklar kort hva som skjer i denne prosessen og hva resultatet (dvs. utbyttet) av prosessen er. Svar: I fotofosforylering utnyttes energien i sollys til å produsere ATP. Energien i sollys (fotoner) fanges opp av antennamolekyler i kloroplastene. Denne energien brukes til å gjøre H 2 O til en elektrondonor. Eksiterte Side 8 av 10

9 elektroner donert fra H 2 O fraktes gjennom komplekser i thylakoidmembranene (elektrontransportkjede) til endelig elektronakseptor NADP +. Elektrontransporten og produksjonen av O 2 fra H 2 O fører til at det dannes en protongradient over membranen. Dette utnyttes til å drive ATP produksjon ved ATP synthase. Utbyttet av prosessen er ATP og NADPH (+ eventuelt O 2 ) Oppgave 4 a) Hva menes med begrepet den genetiske koden? (Forklar hva koden består i og hvordan den leses ). Det finnes også en andre genetisk kode (second genetic code). Forklart kort hva denne koden brukes til. Svar: Med begrepet den genetiske koden menes måten informasjonen i DNA oversettes til en aminosyresekvens i proteiner. Koden består av kodoner, som er tripletter av nukleotider. Hver nukleotidtriplett koder for en bestemt aminosyre og nukleotidsekvensen leses slik at ingen tripletter overlapper. Koden leses gjennom prosessen translasjon, hvor ribosomer kobler riktig kodon i mrna med riktig aminosyre ved hjelp av antikodon på trna. Den andre genetiske kode refererer til måten aminoacyl-trna synthetaser kobler riktig aminosyre med riktig trna. Dette gjøres ved at synthetasene gjenkjenner spesifikke nukleotidposisjoner i trna. Den andre genetiske kode brukes derfor til å koble rett aminosyre med rett trna. b) Forklar hva Shine-Dalgarno sekvensen er og hvilken funksjon den har i initieringen av proteinsyntese. Svar: Shine-Dalgarno sekvensen er en kort sekvens i starten på et mrna. Denne sekvensen er komplementær til 16S rrna i ribosomet. Funksjonen til denne sekvensen er å posisjonere mrna riktig i ribosomet (slik at startkodon havner i P-setet). c) Beskriv hvordan elongeringstrinnet av DNA replikasjon foregår (inkluder alle enzymer som er involvert og forklar deres funksjon) Side 9 av 10

10 Svar: Fullstendig svar bør inkludere følgende enzymer og deres funksjon i elongeringstrinnet: DNA polymerase III: syntetiserer nye DNA-tråder. Ettersom DNA syntesen bare kan skje i 5 3 retning, kan kun den ene tråden syntetiseres kontinuerlig. Denne tråden kalles leading strand. Den andre tråden, lagging strand, syntetiseres i korte fragmenter kalt Okazakifragmenter. Helicase: tvinner DNA-trådene fra hverandre slik at DNA pol III kommer til Primase: lager RNA primerne som er nødvendig for å starte syntese av ny tråd og hvert nye Okazakifragment Topoisomerase/gyrase: fjerner supercoiling av DNA som dannes ved uttvinning av DNA helixen. DNA polymerase I: fjerner RNA primere og erstatter de med DNA Ligase: forsegler nicks/brudd i DNA etter at DNA pol I har erstattet RNA primere med DNA d) For å initiere transkripsjon trenger RNA polymerase en promoter. Forklar hva en slik promoter er og hva dens funksjon er i forbindelse med initieringen av transkripsjon. Svar: En promoter er et DNA segment hvor RNA polymerase binder seg. En promoter i bakterien E.coli strekker seg vanligvis fra ca. 70 bp før transkripsjonsstart til ca. 30 bp etter (fra -70 til +30). Promoterregionen er karakterisert av ulike elementer: UP-element, bindes av α subenhet av RNA pol -35 og -10 regionene: sekvenser i -35 og -10 regionene bindes av σ subenheten av RNA pol. Baserekkefølgen i disse sekvensene avgjør hvor effektiv bindingen av σ er. Funksjonen til promoteren er å binde RNA polymerase for initiering av transkripsjon. Side 10 av 10