UNIVERSITETET I OSLO

Transkript

1 UNIVERSITETET I OSLO DET MEDISINSKE FAKULTET Ordinær eksamen, MEDSEMIODSEMIERNSEM2 Høst 2013 Tirsdag 14. januar 2014 kl. 09:00-1 5:00 Oppgavesettet består av 5 sider Viktige opplysninger: Hjelpemidler: Kalkulator av typen Citizen SR-270X Oppgave A (16 vekttall) 1. Angi kort forskjeller på det mitokondrielle og det nukleære genomet. 2. Du ønsker å produsere et humant protein i bakterier. Til din disposisjon stilles en cdna-klon og en genomisk klon. Hvilken klon vil du benytte? Begrunn svaret. 3. Beskriv oppbygningen av et eukaryot ribosom. Hvor og hvordan dannes et eukaryot ribosom? 4. Beskriv reaksjonen som katalyseres av thymidylat-syntase. Oppgave B (15 vekttall) 5. Hva menes med begrepet genetisk kobling, hvordan påvises kobling og hvilken måleenhet brukes? 6. Forklar kort hvordan overkrysning i meiosen kan gi opphav til nye haplotyper/allelkombinasjoner i avkommet. 7. Forklar hvordan en zygote med trisomi vanligvis oppstår. Tegn gjerne en figur (partielle trisomier som resultat av translokasjoner skal ikke tas med). 8. Forklar prinsippet for den mikromatrisebaserte kromosomanalysen array CGH (comparative genome hybridization). 9. Angi ulike mekanismer for duplisering av gener i evolusjonen. Oppgave C (6 vekttall) 10. Reseptor-tyrosinkinaser har flere domener. a. Nevn minst to viktige domener i denne typen reseptorer. b. Nevn minst to eksempler på biologiske funksjoner som kan bli regulert av reseptor-tyrosi nkinaseaktivitet. c. Skisser signalveien for hvordan aktivert reseptor-tyrosinkinase kan føre til celleproliferasjon (cellesyklusmaskineriet skal ikke inkluderes). Side I av 5

2 11. Det finnes flere reseptorer med egen enzymaktivitet. En av disse befinner seg i cytoplasma. a. Hvilken ligand binder til denne reseptoren, og hvilken enzymaktivitet har reseptoren? b. Hvilken signalvei aktiveres av denne reseptoren? Oppgave D (6 vekttall) 12. I et vev påvises det høye nivåer av cyclin D, aktivert CDK4 og fosforylert prb uten at det er påvist mutasjoner i genene som koder for disse eller andre regulatorproteiner. Forklar hvordan disse funnene er forenlig med hyperplasi og ikke hypertrofi eller kreft. 13. Forklar hvordan DNA-skade kan være grunnlag både for kreftutvikling og for konvensjonell behandling (stråling og cellegifter) av kreft. Gjør rede for hvorfor mutasjoner i genet som koder for p53 er ugunstig ved slik behandling av kreft. Oppgave E (10 vekttall) 14. Hvilken type bind ing holder aminosyrene sammen i en polypeptidkjede, og hva er spesielt med denne bindingen? 15. Hvilke bindingstyper er viktige for proteinfolding? 16. Angi hvilke(t) av følgende utsagn er korrekt(e) med hensyn til aminosyresidekjeder i globulære proteiner: a. De fleste hydrofile sidekjeder finnes sentralt i proteinstrukturen. b. De fleste polare sidekjeder finnes sentralt i proteinstrukturen. c. De fleste hydrofobe sidekjeder finnes sentralt i proteinstrukturen. d. De fleste ladete sidekjeder finnes sentralt i proteinstrukturen. 17. Angi hvilke(t) av utsagnene under som er korrekt(e). Prioner er smittsomme proteiner som: a. er kodet av et virus. b. kutter DNA på bestemte steder. c. kutter andre proteiner og endrer deres funksjonelle egenskaper. d. katalyserer en konformasjonsendring i et protein. Oppgave F (6 vekttall) 18. Hva menes med aktiv og passiv membrantransport? Gi eksempler på hver av dem. 19. Hvordan går vann gjennom plasmamembranen? Gi minst to eksempler. Side 2 av 5

3 Oppgave G (6 vekttall) I nervesystemet er den vesikulære Htpumpen (V-A TPasen) og Na~/K~-pumpen (Na~/K~-A TPasen) ansvarilge for henholdsvis transport av H~-ioner (protoner) inn i synaptiske vesikler og transport av Na~-ioner ut fra cellen samtidig som K~-ioner går inn i cellen. Begge disse kan hemmes hver for seg, noe som kan endre elektrokjemiske gradienter i netvecellene. 20. Diskuter mulige effekter av inhibisjon av hver av disse to ionepumpene på presynaptisk a. hvilemembranpotensial, b. surhetsgrad (ph) i synaptiske vesikler, c. lagring av nevrotransmitter i synaptiske vesikler, og d. eksocytose av nevrotransm itter. Kjemisk synaptisk transmisjon formidlet av nevrotransmittere som glutamat eller GABA fører til endringer i de postsynaptiske membranpotensialer benevnt synapsepotensialer. 21. Navngi synapsepotensialene som fremkalles av eksitatorisk eller inhibitorisk nevrotransmisjon. Diskuter mulige effekter som inhibisjon av V-ATPasen og Na~/K~-ATPasen kan ha på disse synapsepotensialene. Oppgave H (17 vekttall) 22. Ved reseptorformidlet endocytose tar cellen opp materiale fra omgivelsene. Redegjør for ulike skjebner reseptorer og ligander kan ha etter endocytosen. 23. Beskriv samspillet mellom ulike adhesjonsmolekyler når leukocytter bremses og festes til karvegg ved betennelse. 24. Hva er funksjonene til de tre hovedklassene av kollagener? 25. Gi minst ett eksempel på steder i kroppen der vi finner følgende typer epitel. Angi kort sammenhengen mellom de nevnte epiteltypenes oppbygning og egenskaper og deres hovedoppgaver og funksjoner. a. Enlaget plateepitel b. Enlaget sylinderepitel med mikrovilli c. Pseudoflerlaget (også kalt enlaget, flerradet) epitel med cilier d. Overgangsepitel e. Flerlaget uforhornet plateepitel f. Flerlaget forhornet plateepitel 26. Angi hvordan epitelcellene er forankret til basallamina. Side 3 av 5

4 Oppgave I (3 vekttall) 27. Svar ja eller nei til de følgende påstandene: a. Gastrulering danner tre kimlag ved at noen ektodermceller vandrer innunder ektodermlaget og danner mesodermlaget. b. Nevrulering skjer før gastrulering. c. Nevrulering er en morfogenetisk prosess som danner somittene. d. Somittene gir opphav til det perifere nervesystemet. e. Nevrallistceller vandrer vekk fra den dorsale delen av nevralrøret og slår seg ned ulike steder i kroppen. f. Nevrallistceller gir opphav til pigmentceller i kroppen. g. Nevralrøret oppstår ved at en del av ektodermlaget invaginerer langs fosterets midtlinje og avsnøres dorsalt. Oppgave J (15 vekttall): En tre uker gammel baby fikk påvist forstyrrelser i sentralnervesystemet og hadde laktatacidose. Det ble dyrket hudceller fra en biopsi. Aktiviteten til pyruvatdehydrogenasen i disse hudcellene ble målt i næivær av en normal (0.4 pmol/l) og høy (400 pmol/l) konsentrasjon av tiaminpyrofosfat (TPP) og sammenlignet med tilsvarende resultater oppnådd med hudceller fra en frisk baby. Dette ga følgende resultater: 28. % av normal enzymaktivitet Prøve normal [TPP] høy[tppj Syk baby 9 a. Forklar hvorfor denne babyen hadde unormalt høye nivåer av laktat og pyruvat i blodet. b. Forklar effekten av den høye konsentrasjonen av TPP på pyruvatdehydrogenaseaktiviteten hos denne babyen. c. Angi en sannsynlig metabolsk årsak til at babyen hadde forstyrrelser i sentralnervesystemet. d. Da babyen ble gitt ekstra tilskudd av tiamin (vitamin BI) forbedret tilstanden seg markert. Hvorfor? e. Når insulinkonsentrasjonen i blodet øker, stimuleres leverens pyruvatdehydrogenaseaktivitet. Forklar hvordan dette er i samsvar med insulinets funksjon i leverens intermediære metabolisme. Skisser reguleringsmekanismen for pyruvatdehydrogenasekomplekset i lever (signaloverføringsmekanismen skal ikke beskrives). Side 4 av 5

5 Frikopleren 2, 4-dinitrofenol ble for ca. 70 år siden prøvd som slankemiddel. Dette resulterte dessverre i mange dødsfall innen slik bruk av stoffet opphørte. 29. Angi om hvert av de påfølgende utsagn vedrørende mulige effekter av 2,4- dinitrofenol er korrekt eller ikke, og begrunn svaret ditt. a. Flyten gjennom den mitokondrielle elektrontransportkjeden er betydelig nedsatt. b. Protongradienten over den indre mitokondriemembranen er mye større enn normalt og mengden ATP som dannes er derfor markert økt. c. 2,4-dinitrofenol ble ansett som et slankemiddel fordi stoffet har en egenskap som medfører at mitokondrienes elektrontransport foregår uten at ATP dannes. d. Bruk av 2,4-dinitrofenol kan være giftig blant annet fordi glykolysen blir hemmet. Katabolismen av aminosyrer krever at aminosyrens aminogruppe blir i~ernet. Aminogruppen anvendes ofte i syntesen av urea. Den blir normalt ikke til fri NH Angi om hvert av de påfølgende utsagn er korrekt eller ikke og begrunn ditt svar. a. Aminotransferaser og glutamat dehydrogenase medvirker til at denne aminogruppen inngår i ureasyntesen. b. Manglende ATP-syntese i levercellenes mitokondrier kan medføre at N H3/N H4~-konsentrasjonen i blodet øker fordi karbamoylfosfatsyntetase I- reaksjonen går mye raskere. c. Arbeidende skjelettmuskel skiller ut både laktat og alanin for å eksportere overskudd av både reduserende ekvivalenter (H-atomer) og NH3. d. Glutamin, som anvendes til transport av NH3, dannes fra glutamat og brytes ned til glutamat. Det medisinske fakultet, Oslo, 10. desember 2013 Signatur leder av eksamenskommisjon Side 5 av 5

6 UNIVERSITETET I OSLO DET MEDISINSKE FAKULTET Ordinær eksamen, MEDSEM!ODSEMIERNSEM2 Høst 2013 Tirsdag 14. januar 2014 kl. 09:00-1 5:00 Oppgavesettet består av 5 sider Viktige opplysninger: Hjelpemidler: kalkulator av typen Citizen SR-270X SENSORVEILEDNING Oppgave A (16 vekttall) 1. Angi kort forskjeller på det humane mitokondrielle og nukleære genomet. Svar: Mitokondriegenomet (mtdna) er lite og sirkulært. Det er flere DNA-molekyler per mitokondrie og mange mitokondrier per celle. Dette innebærer at hver celle har mange kopier av mtdna (polyploidi). Ved mutasjoner på noen av kopiene kan andelen av mutert mtdna vise store variasjoner fra celle til celle (heteroplasmi). Genene er tett pakket med lite ikke-kodende sekvenser mellom og inneholder ikke introner. mtdna er ikke pakket ved hjelp av histoner/nukleosomer. mtdna nedarves maternelt. Det skjer derfor ingen rekombinasjon av mtdna i meiosen. mtdna har avvikende genetisk kode for noen kodoner. mtdna viser raskere evolusjon enn nukleært DNA (i hovedsak grunnet større eksponering for frie oksygenradikaler generert i elektrontransportkjeden paret med mindre omfattende DNA reparasjonssystem enn for det nukleære genomet). Siden mtdna er sirkulært, er det ikke behov for telomeraseliknende system for å bevare kromosomlengden. Det nukleære genomet er stort og består av 46 lineære molekyler fordelt pa 23 kromosompar. Genene er ikke tett pakket. Proteinkodende gener er bygget opp av eksoner og introner. Det nukleære genomet er pakket ved hjelp av histoner/nukleosomer. I motsetning til mtdna er det normalt bare to kopier for hvert gen (bare ett for XIY kromosomene hos menn) med muligheter for enten to like (homozygot) eller to ulike alleler (heterozygot). 2. Du ønsker å produsere et humant protein i bakterier. Til din disposisjon stilles en cdna-klon og en genomisk klon. Hvilken klon vil du benytte? Begrunn svaret. Svar: Du benytter cdna-klonen fordi den ikke inneholder noen introner. Bakterier kan ikke ufføre spleising. 3. Beskriv oppbygningen av et eukaryot ribosom. Hvor og hvordan dannes et eukaryot ribosom? Svar: Kandidatene bør ha med følgende: Det består av en liten subenhet (40S) og en stor subenhet (60S); til sammen utgjør de et ribosom på 80S. Den lille subenhet består av en rekke proteiner og 18S rrna. Den store subenhet består av en rekke proteiner og 5S, 5,8S og 28S rrna. Ribosomet har et E-, P- og A-sete. Side I av 13

7 Kandidatene bør ha med følgende om hvor og hvordan et eukaryot ribosom dannes: Ribosomene dannes i nukleolus i cellekjernen. rrna og ribosomale proteiner danner den lille og store ribosom subenheten. De to subenhetene dannes og transporteres hver for seg ut gjennom kjerneporene til cytosol. 4. Beskriv reaksjonen som katalyseres av thymidylat-syntase. Svar: Enzymet thymidylat-syntase (se vedlagt figur) katalyserer syntesen av dtmp fra dump ved å hekte en metylgruppe på pyrimidinringen. Enzymet bruker N5, N10- metylen-tetrahydrofolat som bærer av metylgruppen. Inhibitor av thymidylat syntasen omfatter thym in-analoger som 5-fluorouracil. Dihydrofolat (DH F) reduseres til tetrahydrofolat (THF) ved hjelp av enzymet dihydrofolat-reduktase, se vedlagt figur. Dette enzymet hemmes av metotrexat. Medikamentene 5 fluorouracil og metotrexat hemmer dannelsen av dtmp. dtmp er utgangspunkt for dannelsen av dttp, som er et substrat for DNA-polymerasen. Disse medikamentene vil derfor hemme DNA syntesen og blir benyttet i forbindelse med kreftbehandling. N5,N1 -Methylenetetrahydrofolate 5-Fluorouracll 5-FdUMP dump D~hydrofoIate NADPH + Metho- Dihydrofolate Thymidylate trexate reductase synthase NADP Tetrahydrofolate Oppgave B (15 vekttall) dtmp 5. Hva menes med begrepet genetisk kobling, hvordan pavises kobling og hvilken måleenhet brukes? Svar: For at to loci skal være koblet må de sitte på samme kromosom. Graden av kobling påvirkes av hvor nær hverandre de to genene eller markørene sitter og dermed hvor ofte de nedarves som en enhet. Graden av kobling mellom to markører bestemmes av hvor ofte det skjer rekombinasjon mellom dem. Kobling påvises ved analyse av nedarving av markører (evt mellom en markør og en fenotype som indirekte mål på en genetisk variant) i familier. Avstanden mellom markører angis i centimorgan (CM) der I cm tilsvarer 1% overkrysning mellom to markører. Side 2 av 13

8 6. Forklar kort hvordan overkrysning i meiosen kan gi opphav til nye haplotyper/allelkombinasjoner i avkommet. Svar: I profase I i meiosen vil det alltid forekomme overkrysning mellom homologe kromosomer i et kromosompar. Gitt at det for to koblete markører (A og B) finnes to alleler (A og a, og B og b), og en person er heterozygot for begge. Hvis allel A og B finnes på det ene kromosomet, og a og b på det homologe kromosomet, vil personen likevel kunne produsere gameter med allelkombinasjonene Ab og ab hvis overkryssing skjer i området mellom de to markørene. 7. Forklar hvordan en zygote med trisomi vanligvis oppstår. Tegn gjerne en figur (partielle trisomier som resultat av translokasjoner skal ikke tas med). Svar: Ved trisomi har individet en ekstra kopi av ett kromosom, slik at totalt kromosomtall er 47. Trisomier oppstår vanligvis ved feil i meiosen ved at de to homologe kromosomene ikke separeres korrekt i anafase I, eller at de to kromatidene ikke separeres korrekt i anafase Il. Dette kalles non-disjunction. 8. Forklar prinsippet for den mikromatrisebaserte kromosomanalysen array CGH (comparative genome hybridization). Svar: Ved mikromatrisebasert komparativ genomhybridisering (array CGH, acgh) benyttes matriser hvor et stort antall DNA-sekvenser (oftest oligonukleotider) er festet til et underlag. Posisjonen til hver oligo både i matrisen og i genomet er kjent. Et acgh-eksperiment kan gjennomføres ved at DNA fra pasienten innmerkes med en farge (f eks grønn), mens referanse DNA innmerkes med en annen farge (f eks rødt). De to DNA prøvene blandes sammen og hybridiseres til matrisen. Ved avlesing registreres intensiteten av begge fargene for hvert punkt i matrisen, og forholdet mellom intensiteten av de to fargene avslører eventuelle tap av kromosomområder (delesjoner) eller økt kopitall i kromosomområder (duplikasjoner): I det nevnte eksempelet vil et punkt i matrisen som har mer grønn enn rød farge, representere et område i genomet som er økt i kopitall hos pasienten. Tilsvarende vil punkter som er mer røde representere områder i genomet hvor kopitallet er lavere i pasienten enn i referansen, altså en delesjon i pasienten. 9. Angi ulike mekanismer for duplisering av gener i evolusjonen. Svar: Hovedmekanismer: 1. genduplisering ved ulik overkrysning, 2. replikativ transponering, 3. duplikasjoner av hele eller deler av kromosomer, 4. polyploidi. 1. og 2. er de viktigste. Oppgave C (6 vekttall) 10. Reseptor-tyrosinkinaser har flere domener. Svar: a. a. Nevn minst to viktige domener i denne typen reseptorer. b. Nevn minst to eksempler på biologiske funksjoner som kan bli regulert av reseptor-tyrosi nki naseaktivitet. c. Skisser signalveien for hvordan aktivert reseptor-tyrosinkinase kan føre til celleprol iferasjon (cellesyklusmaskineriet skal ikke inkluderes). Reseptortyrosin kinaser har ligandbindingsdomene, transmembran-domene, tyrosinkinase-domene. b. Insulinreseptoren er en reseptor-tyrosinkinase som formidler signaler fra hormonet insulin. Avhengig av celletypen kan stimulert insulinreseptor gi Side 3 av 13

9 forskjellige biologiske responser. Vekstfaktorer og overlevelsesfaktorer bindes ogsa til reseptor-tyrosinkinaser og stimulerer henholdsvis ras signalveien og P13-kinasesignalveien. Førstnevnte fører til celleproliferasjon, mens sistnevnte fører til overlevelse (hemmer apoptose). c. Når en vekstfaktor som f.eks PDGF bindes til sin reseptor, vil reseptoren dimerisere og reseptorens tyrosinkinase-domene bli aktivert. Reseptoren vil nå bli auto-kryssfosforylert på flere tyrosinsidekjeder. Ett av de fosforylerte tyrosinene binder adaptorproteinet Grb2 via dette proteinets SH2-domene. Grb2 kan na binde og ativere en GDP/GTP utbyttingsfaktor (SOS), noe som fører til at et lite G-protein, Ras, bytter ut GDP med GTP. Ras blir derved aktivert og dette fører til aktivering av en MAPKKK som fosforylerer og aktiverer MAPKK. Denne kinasen vil i sin tur fosforylere og aktivere MAPK. MAPK er en effektorkinase som kan fosforylere mange substratproteiner både i cytosol og i kjernen. Noen av substratproteinene er transkripsjonsfaktorer som sørger for at gener som er nødvendig for celledeling blir transkribert. 11. Det finnes flere reseptorer med egen enzymaktivitet. En av disse befinner seg i cytoplasma. a. Hvilken ligand binder til denne reseptoren, og hvilken enzymaktivitet har reseptoren? b. Hvilken signalvei aktiveres av denne reseptoren? Svar: a. Cytosolisk guanylat cyclase er en reseptor som binder NO som derved blir aktivert og katalyserer dannelsen av cgmp fra GTP. b. cgmp er en sekundær budbringer som aktiverer PKG (protein kinase G). Aktivert PKG kan fosforylere mange potensielle substratproteiner, bi.a.ionekanaler og pumper. Er involvert vasodillatasjon. Oppgave D (6 vekttall) 12. I et vev påvises det høye nivaer av cyclin D, aktivert CDK4 og fosforylert prb uten at det er påvist mutasjoner i genene som koder for disse eller andre regulatorproteiner. Forklar hvordan disse funnene er forenlig med hyperplasi og ikke hypertrofi eller kreft. Svar: Hyperplasi vil si at et vev øker i størrelsen pga økt celledeling, mens hypertrofi vil si at et vev øker i størrelsen som et resultat at den enkelte celle øker i størrelse (volum). At det i vevet påvises økt nivå av cyklin D, økt aktivitet av CDK4 og fosforylert prb tyder på at cellene i vevet har gått gjennom GI -fasen, har passert R punktet i GI og dermed har delt seg. Det foreligger altsa økt celledeling hyperplasi og ikke hyperirofi. Siden det ikke er påvist mutasjoner i noen av genene som koder for disse eller andre viktige regulatorproteiner, tyder dette ikke på kreft. 13. Forklar hvordan DNA-skade kan være grunnlag både for kreftutvikling og for konvensjonell behandling (stråling og cellegifter) av kreft. Gjør rede for hvorfor mutasjoner i genet som koder for p53 er ugunstig ved slik behandling av kreft. Side4av 13

10 Svar: Kreft skyldes akkumulering av mutasjoner i en celle, og DNA-skade kan føre til kreft ved at det øker sjansen for at det oppstår mutasjoner. Konvensjonell kreftbehandling som stråling og mange cellegifter er basert på DNA skaderesponser. Når kreftcellene utsettes for slik behandling vil bl.a. tumor suppressoren p53 stabiliseres og aktiveres. p53 vil i sin tur både kunne hemme celledeling (via p21) og øke apoptose (via bax) av kreftcellene. Dersom genet for p53 er mutert i kreftcellene (punktmutasjoner som hindrer stabilisering/aktivering av p53-proteinet), vil p53 ikke kunne transkribere verken p21 eller bax, og cellen forsetter og leve og å dele seg videre med skadet DNAlmutasjoner. Oppgave E (10 vekttall) 14. Hvilken type binding holder aminosyrene sammen i en polypeptidkjede, og hva er spesielt med denne bindingen? Svar: Peptidbindingen er en kovalent binding mellom et karboksylgruppekarbonatom i en aminosyre og N-atomet i a-aminogruppen i en annen aminosyre. En peptidbinding har delvis dobbeltbindingskarakter. Dette gjør bindingen sterkere og hindrer rotasjon langs aksen av bindingen og medvirker til å oppnå, og å opprettholde, en bestemt protein konformasjon. Dobbeltbindingskarakteren skyldes bevegelse av elektronparet fra nitrogenatomet i aminogruppen via karboksylgruppens karbonatom til oksygenatomet i karboksylgruppen. 15. Hvilke bindingstyper er viktige for proteinfolding? Svar: lonebindinger, hydrofobe bindinger, hydrogenbindinger, van der Waalske krefter og disulfidbindinger. 16. Angi hvilke(t) av følgende utsagn er korrekt(e) med hensyn til aminosyresidekjeder i globulære proteiner: a. De fleste hydrofile sidekjeder finnes sentralt i proteinstrukturen. b. De fleste polare sidekjeder finnes sentralt i proteinstrukturen. c. De fleste hydrofobe sidekjeder finnes sentralt i proteinstrukturen. d. De fleste ladete sidekjeder finnes sentralt i proteinstrukturen. Svar: C er korrekt. 17. Angi hvilke(t) av utsagnene under som er korrekt(e). Prioner er smittsomme proteiner som: a. er kodet av et virus. b. kutter DNA på bestemte steder. c. d. kutter andre proteiner og endrer deres funksjonelle egenskaper. katalyserer en konformasjonsendring i et protein. Svar: D er korrekt. Oppgave F (6 vekttall) 18. Hva menes med aktiv og passiv membrantransport? Gi eksempler på hver av dem. Svar: Aktiv transport krever tilførsel av energi og kan skje mot en konsentrasjonsgradient. I primær aktiv transport er ATP den direkte energikilden. sekundær aktiv transport er den energikrevende transporten koblet til samtidig transport av et ion i en retning som reduserer ionets potensielle energi. Transporte går fra lav til høy konsentrasjon. Side 5 av 13

11 Det er ulike former for passiv transport og at det ikke krever energi og bestemmes av konsentrasjonsgradienten- fra høyere til lavere konsentrasjon av stoffet: i) diffusjon gjennom lipidlag, ii) diffusjon gjennom vannfylte proteinkanaler (ionekanaler med hydrasjonsskall), og iii) binding til transportproteiner (fasilitert transport), som bærer stoffet gjennom membranen og frigjør det pa motsatt side. Hydrofile molkyler som er for store til å passere gjennom ionekanaler, kan likevel transporteres passivt gjennom membranen. Det skjer ved at molekylene bindes til spesielle transportproteiner. Bindingen forandrer transportproteinets form slik at molekylet eksponeres for den andre siden av membranen. Der brytes bindingen, og molekylet diffunderer ut i vannløsningen. 19. Hvordan går vann gjennom plasmamembranen? Gi minst to eksempler. Svar: Selv om vannmolekylene er polare kan de diffundere gjennom lipidmembranen. Dette er fordi vannmolekylene er sa små at de beveger seg mellom lipidmolekylene. Plasmamembranen virker som en semipermeabel membran. Vann transporteres passivt til den siden av membranen der løsningen har høyest osmolaritet (der vannkonsentrasjonen er lavest). Diffusjon av vann gjennom vannfylte proteinkanaler (ionekanaler med hydrasjonsskall) Plasmamembranen har spesielle proteinkanaler (vannkanaler, aquaporiner (AQP)) som er særlig permeable for vann. Vannkanalfamilien består av 13 forskjellige isoformer som ligner på hverandre. Oppgave G (6 vekttall) I nervesystemet er den vesikulære H~-pumpen (V-A TPasen) og Na~/K~-pumpen (Na~/!C-ATPasen) ansvarlige for henholdsvis transport av H~-ioner (protoner) inn i synaptiske vesikler og transport av Na~-ioner ut fra cellen samtidig som K~-ioner gar inn i cellen. Begge disse kan hemmes hver for seg, noe som kan endre elektrokjemiske gradienter i nervecellene. 20. Diskuter mulige effekter av inhibisjon av hver av disse to ionepumpene pa presynaptisk a. hvilemembranpotensial, b. c. surhetsgrad (ph) i synaptiske vesikler, lagring av nevrotransmitter i synaptiske vesikler, og d. eksocytose av nevrotransmitter. Svar: Studentene bør kunne diskutere de ulike effektene på følgende nivå: a. Membranpotensialet er i hovedsak et kalium Nernst-potensial, med en liten komponent fremkalt av Natflux, og er avhengig av at disse ionene er skjevfordelt over membranen. Inhibisjon av V-ATPasen har ingen effekt på Na~ eller K~ transport eller permeabilitet, og har derfor ingen effekt på membranpotensialet. Til gjengjeld vil inhibisjon av Na~/K~-ATPasen svekke skjevfordelingen av både Na~ og K~ og gi en moderat hemning av membranpotensialet (lett depolarisering). b. Forsterking av surhetsgrad i synaptiske vesikler er utelukkende fremkalt a V-ATPasen, ikke av Na~/K~-ATPasen. Bare inhibisjon av V-ATPasen vil derfor øke vesikulær ph. Side 6 av 13

12 c. Lagring av nevrotransmittere i synaptiske vesikler foregår utelukkende ved antiport mellom protoner og transmitter, der den elektrokjemiske gradienten blir fremskaffet fra den ATP-avhengige protongradienten. Inhibisjon av V ATPAsen fører derfor til komplett stopp i lagring av nevrotransmitter i vesiklene. Na~-ioner er ikke direkte involvert i vesikkelopptak av transmittere, og inhibisjon av Na~/KtATPasen har derfor ikke tilsvarende effekt. d. Ingen effekter. Frisetn ing av nevrotransmittere foregår ved eksocytose av transmitterholdige vesikler. Eksocytosen blir fremskaffet av økt konsentrasjon av Ca2tioner i nerveterminalens cytoplasma, denne blir igjen fremskaffet ved at spen ningsregulerte Ca2~-kanaler i nerveterm inalenes overflatemembran åpnes ved depolarisering og slipper Ca2~ fra ekstracellulær væske inn i terminalenes cytosol. Disse Ca2~-ioner binder til et vesikkelprotein, overflateog vesilçkelmembraner smelter sammen, og transmitteren går ut i synapsespalten. Hverken V-ATPasen eller Na~/K~-ATPasen er direkte innblandet i noen av disse fenomenene. Kjemisk synaptisk transmisjon formidlet av nevrotransmittere som glutamat eller GABA fører til endringer i de postsynaptiske membranpotensialer; benevnt synapsepotensialer. 21. Navngi synapsepotensialene som fremkalles av eksitatorisk eller inhibitorisk nevrotransmisjon. Diskuter mulige effekter som inhibisjon av V-ATPasen og Na~/KtATPasen kan ha pa disse synapsepotensialene. Svar: I eksitatoriske glutamaterge synapser fremkalles synapsepotensialer av at ionotrofe glutamatreseptorer åpner seg når glutamat bindes, og kanalene slipper Nationer inn i postsynaptiske celler som derved blir depolarisert. Disse endringene kalles eksitatoriske postsynaptiske potensialer, EPSP. I inhibitoriske GABAerge synapser fremkalles synapsepotensialer ved at binding av GABA åpner reseptorkanaler og slipper kloridioner inn, dette fremkaller hyperpolarisering, benevnt inh ibitoriske postsynaptiske potensialer (I PSP). Inhibisjon av V-ATPasen har ingen direkte effekt på Na~ eller C1-ioners permeabilitet i disse membranene. Indirekte er imidlertid V-ATPasen ansvarlig for at tilstrekkelig mengde transmitter (her: glutamat eller GABA) er lagret i vesiklene som gjennomgår eksocytose, og størrelsen av EPSP eller IPSP vil derfor falle ved tilstrekkelig inhibisjon av V-ATPasen. Inhibisjon av Na~/K~-ATPasen har ingen effekt på presynaptiske vesiklers transm ittermengde, eller postsynaptiske membraners glutamat- eller GABA-regulerte reseptorkanaler. Eventuelle effekter på EPSP eller IPSP fra denne ionepumpen vil derfor være minimale. Oppgave H (17 vekttall) 22. Ved reseptorformidlet endocytose tar cellen opp materiale fra omgivelsene. Redegjør for ulike skjebner reseptorer og ligander kan ha etter endocytosen. Svar: 1). Pumping av protoner gjennom membranen gjør at reseptor og ligand dissosierer. Liganden sendes med blærer? kontainere til sene endosomer og lysosomer og brytes ned, mens reseptor resirkuleres til overflaten og brukes om igjen. 2). Ligand og reseptor dissosierer ikke, men sendes sammen ned til sene endosomer og lysosomer og brytes ned. Dette medfører rask nedregulering av reseptortettheten på overflaten av cellen, hvilket er viktig mht å redusere cellens Side 7 av 13

13 følsom het for signalmolekyler. Manglende nedbrytning av vekstfaktor-reseptorer utgjør en mekanisme (av flere) for malign transformasjon av celler. 3). I polariserte celler sendes noen kom plekser gjennom cellen fra basolateralmembranen via transgolgi-nettverket til apikalmembranen eller omvendt, såkalt transcytose. Et eksempel er IgA produsert av plasmaceller som ligger under epitelet i tarmen og i den diende melkekjertelen. IgA bindes til IgA-reseptoren på basolateralmembranen og sendes gjennom cellene til apikalmembranen slik at IgA kommer ut på tarmoverflaten/ ut i morsmelken. 4). Noen toksiner sendes til TGN og deretter med retrograd transport via GK til RER, hvor det kommer seg inn i cytosol ved å bruke opptaksmekanismene for feilfoldete ER-proteiner. De far dermed tilgang til cytosol, hvor de utfører sine toksiske virkninger. 23. Beskriv samspillet mellom ulike adhesjonsmolekyler nar leukocytter bremses og festes til karvegg ved betennelse. Svar: Selektiner pa endotel bindes til karbohydratligander på leukocytter slik at leukocyttene bremses opp langs karveggen. Adhesjonsmolekyler av immunoglobulin familien på endotelceller bindes så til integriner på leukocytten slik at den bremses helt opp og festes til karvegg. 24. Hva er funksjonene til de tre hovedkiassene av kollagener? Svar: A) Fiberdannende kollagener (kollagen 1,11,111) danner sterke fibre f.eks i sener. B) Nettverksdannende kollagener danner nettverk særlig i basalmembraner. C) Facit kollagener organiserer fibredannende kollagener. 25. Gi minst ett eksempel på steder i kroppen der vi finner følgende typer epitel. Angi kort sammenhengen mellom de nevnte epiteltypenes oppbygning og egenskaper og deres hovedoppgaver og funksjoner. Svar: a. b. Enlaget plateepitel Enlaget sylinderepitel med mikrovilli c. d. Pseudoflerlaget (også kalt enlaget, flerradet) epitel med cilier Overgangsepitel e. f. Flerlaget uforhornet plateepitel Flerlaget forhornet plateepitel Enlaget plateepitel. Endotel i blod- og lymfeårer, epitel i lungealveoler, mesotel i peritoneum, perikard og pleura. Funksjon: Glidefunksjon uten mekanisk belastning, rask diffusjon av molekylær gjennom epitelet (små molekyler, med unntak av fenestrert endotel (f eks i endokrine kjertler og tarm), hvor også store molekyler passerer). Diffusjon av gass (02 og CO2) i alveolene. Sekresjon av væske i mesotel. Enlaget sylinderepitel med mikrovilli. Magesekk, tynn- og tykktarm. Funksjon: Absorpsjon Pseudoflerlaget (også kalt enlaget, flerradet) epitel med cilier. Luftveiene. Funksjon: Mukociliær transport (fange opp forurensningspartikler i inhalert luft og sende mot svelget vha bevegelser fremkalt av synkronisert aktivitet av flimmerhårene). Overgangsepitel. I urinleder (ureter), urinblæren og første deler av urinrøret (uretra) (også i utførselsganger fra prostata). To hovedfunksjoner: 1) Kan strekkes avhengig av fyllingsgrad i ureter og blære. 2) Osmotisk barriere mellom urin (av svært varierende osmolaritet) og vevsvæsken i underliggende bindevev. Side 8 av 13

14 Flerlaget uforhornet plateepitel («slimhud»). Begynnelse og slutt på mage-tarmkanal (munnhule, svelg, spiserør, analkanalen), vagina, hornhinne (kornea). Funksjon: Mekanisk beskyttelse mot vandig miljø (vannet bundet i slimlag på overflaten av epitelet). Muliggjør levende celler helt ut mot overflaten av epitelet. Flerlaget forhornet plateepitel. Overhud (epidermis). Funksjon: Mekanisk beskyttelse mot ikke-vandig miljø (ytterste lag døde, keratiniserte celler). 26. Angi hvordan epitelcellene er forankret til basallamina. Svar: Viktigste mekaniske forankring via hemidesmosomer (HD), som er forankret til cytosol via intermediære filamenter og til basallamina (BL) på utsiden av cellen via integriner, som er transmembranproteiner og som på utsiden er bundet til BL (proteinetlaminin i BL). (Også undertype kollagen (XVII) ertransmembranprotein som deltar i bindingen av HD til BL forventes ikke som svar), I tillegg har vi forankring via fokale kontakter, som er bundet til aktinskjelettet på innsiden av cellen. Denne typen forankring har hovedsaklig signalfunksjon. Oppgave I (3 vekttall) 27. Svar ja eller nei til de følgende påstandene: Svar: a. Gastrulering danner tre kimlag ved at noen ektodermceller vandrer innunder ektodermlaget og danner mesodermlaget. b. Nevrulering skjer før gastrulering. c. Nevrulering er en morfogenetisk prosess som danner somittene. d. Som ittene gir opphav til det perifere nervesystemet. e. Nevrallistceller vandrer vekk fra den dorsale delen av nevralrøret og slår seg f. ned ulike steder i kroppen. Nevrallistceller gir opphav til pigmentceller i kroppen. g. Nevralrøret oppstår ved at en del av ektodermlaget invaginerer langs fosterets midtlinje og avsnøres dorsalt. a. Ja b. Nei c. Nei d. Nei e. Ja f. Ja g. Ja Oppgave J (15 vekttall): En tre uker gammel baby fikk påvist forstyrrelser i sentralnervesystemet og hadde laktatacidose. Det ble dyrket hudceller fra en biopsi. Aktiviteten til pyruvatdehydrogenasen i disse hudcellene ble malt i nærvær av en normal (0.4 pmol/i) og høy (400 pmol/l) konsentrasjon av tiaminpyrofosfat (TPP) og sammenlignet med tilsvarende resultater oppnådd med hudceller fra en frisk baby. Dette ga følgende resultater: % av normal enzymaktivitet Prøve normal [TPPJ høy[tpp] Side 9 av 13

15 28. Sykbaby 9 85 I a. Forklar hvorfor denne babyen hadde unormalt høye nivåer av laktat og pyruvat i blodet. b. Forklar effekten av den høye konsentrasjonen av TPP pa pyruvatdehydrogenaseaktiviteten hos denne babyen. c. Angi en sannsynlig metabolsk årsak til at babyen hadde forstyrrelser i sentralnervesystemet. d. Da babyen ble gitt ekstra tilskudd av tiamin (vitamin BI) forbedret tilstanden seg markert. Hvorfor? e. Når insulinkonsentrasjonen i blodet øker, stimuleres leverens pyruvatdehydrogenaseaktivitet. Forklar hvordan dette er i samsvar med insulinets funksjon i leverens intermediære metabolisme. Skisser regu leringsmekan ismen for pyruvatdehydrogenasekomplekset i lever (signaloverføringsmekanismen skal ikke beskrives). Svar: a. Nedsatt pyruvatdehydrogenase aktivitet forårsaker akkumulering av pyruvat i cellene. En andel av pyruvaten reduseres til laktat (LDH) slik at laktat også akkumulerer. Høye intracellulærere konsentrasjoner av laktat og pyruvat resulterer i at molekylene transporteres ut i blod banen. Dette resulterer i høye blodkonsentrasjoner av pyruvat og laktat. b. Denne effekten indikerer at det foreligger en mutasjonen i proteinet som binder TPP (dvs pyruvat dekarbokylasen i PDH komplekset) slik at affiniteten for TPP er nedsatt (dvs Km for TPP er økt). Når konsentrasjonen av TPP blir stor nok øker derfor enzymaktiviteteten mot normalnivået fordi TPP da bindes til enzymets aktive sete. c. En sannsynlig metabolsk årsak er manglende ATP-syntese. Det skyldes redusert flyt gjennom PDH, som gir nedsatt tilførsel at acetyl-c0a til sitronsyresyklus. Resultatet blir nedsatt sitronsyresyklusaktivitet, og nedsatt produksjon av NADH H~ og FADH2. Dermed blir det mindre reduserende ekvivalenter for elektrontransportkjeden, og nedsatt syntese av ATP. Noen kan nevne at nedsatt intracellulær ph grunnet akkumulering av laktat og pyruvat ogsa kan være en medvirkende årsak. d. I organismen blir tiamin omdannet til TPP. TPP er det aktive koenzymet, men kan bare dannes når organismen får tilført tiamin. Siden PDH i dette tilfellet har nedsatt affinitet for TPP er det nødvendig med ekstra tilskudd of tiamin for å få en høy nok intracellulær konsentrasjon av TPP. e. økt insulinkonsentrasjonen i blodet indikerer at det foregar tilførsel av næringsstoffer fra tarmen, dvs et måltid blir fordøyet. Metabolismen går over i anabolsk, insulinstimulert, modus. Leverens energimetabolisme blir karbohydratbasert ved at glukose omsettes via glykolyse og sitronsyresyklus. Skal dette fungere må PDH aktiviteten økes. Insulin stimulerer PDH ved at PDH fosfatasen stimuleres (insulin-mediert økt intramitokondriell [Ca~]). osforylering, og inaktivering av PDH, skjer ved allosterisk aktivering av en PDH proteinkinase. Acetyl-C0A, NADH og ATP er allosteriske aktivatorer. Side IOav 13

16 REGULERING Av PYRUVAT DEHYDROGENASEIÇOMPLEKSET 0 PYnuvAr z A ErVL CoA C02 PDH F$FATASE ~ i ~ KINASE 5 yruvat ONIVdFOØM,a.. kss,plk. NAKTIVT UNDER SULT ER DET MESTE AV PDH.itOMpLE.tSrT I INAKTIV FORM. ANDEL I AKTIV FORM VIL VÆRE ALL0RrERISK HEMMET AV AcEyyL.COA~ NADH on ATP Frikopleren 2, 4-dinitrofenol ble for ca. 70 ar siden prøvd som slankemiddel. Dette resulterte dessverre i mange dødsfall innen slik bruk av stoffet opphørte. 29. Angi om hvert av de påfølgende utsagn vedrørende mulige effekter av 2,4- dinitrofenol er korrekt eller ikke, og begrunn svaret ditt. Svar: a. Flyten gjennom den mitokondrielle elektrontransportkjeden er betydelig nedsatt. b. Protongradienten over den indre mitokondriemembranen er mye større enn normalt og mengden ATP som dannes er derfor markert økt. c. 2,4-dinitrofenol ble ansett som et slankemiddel fordi stoffet har en egenskap som medfører at mitokondrienes elektrontransport foregar uten at ATP dannes. d. Bruk av 2,4-dinitrofenol kan være giftig blant annet fordi glykolysen blir hemmet. a. Feil. Frikopling stimulerer flyten gjennom elektrontransportkjeden fordi koplingen mellom energibehov (syntese av ATP) og elektrontransport nå er borte. Maksimal, uregulert, flyt gjennom elektrontransportkjeden er nå mulig. b. Feil. Protongradient er nå vesentlig redusert fordi 2,4-DNP uregulert frakter protoner over den indre mitokondriemembranen. Dette skjer fordi den fenoliske OH gruppen i 2,4-DNP er ionisert ved fysiologisk ph, men blir protonert ved den lavere ph like ved utsiden av den indre mitokondriemembranen. Protonert 2,4-DNP er meget lipidløslig, passerer den indre mitokondriemembranen, og deprotoneres i mitokondriematriks pga høyere ph der. Mitokondriell syntese av ATP opphører p.g.a. 2,4-DNPmediert kollaps av protongradienten over den indre mitokondriemembranen. c. Riktig. Elektrontransporten foregår uten at det samtidig dannes ATP, og er nå ikke regulert av cellulært behov for ATP (dvs ADP/ATP forholdet i cytosol). Følgelig vil forbrenning av næringsstoffer foregå uregulert: energien ender opp som varme ikke i syntese av ATP. Kroppens energilagre, både glykogen Side II av 13

17 og triacylglyserol, blir forbrent uten å være regulert av energibehovet og kroppsvekten reduseres. d. Galt: DNP har ingen direkte effekt pa glykolysen. Frikopling, manglende syntese av ATP og medfølgende økt cytosolisk [ADP], vil stimulere glykolysen. Riktig: Døende celler der mitokondriell ATP syntese er opphørt på grunn av frikopling kan utvikle mangel på ATP fordi glykolysens nettosyntese pa 2 ATP ikke gir adekvat forsyning. ATP-krevende reaksjoner (for eks. heksokinasen) kan tenkes a få nedsatt aktivitet. Galt og riktig godkjennes. Katabolismen av aminosyrer krever at aminosyrens aminogruppe bllr fjernet. Aminogruppen anvendes ofte i syntesen av urea. Den blir normalt ikke til fri NH Angi om hvert av de påfølgende utsagn er korrekt eller ikke og begrunn ditt svar. a. Aminotransferaser og glutamat dehydrogenase medvirker til at denne aminogruppen inngår i ureasyntesen. b. Manglende ATP-syntese i levercellenes mitokondrier kan medføre at NH3INH4~-konsentrasjonen i blodet øker fordi karbamoylfosfatsyntetase I- reaksjonen går mye raskere. c. Arbeidende skjelettmuskel skiller ut både laktat og alanin for å eksportere overskudd av både reduserende ekvivalenter (H-atomer) og NH3. d. Glutamin, som anvendes til transport av NH3, dannes fra glutamat og brytes ned til glutamat. Svar: a. Riktig. Disse to enzymaktivitetene medvirker til at overskudd av N inngår i ureasyntesen. Metabolsk bruk av aminotransferasereaksjonen kombinert med al utamatdehyd ropenasereaksjonen Alanin + a~-ketoglutarat ~ Pyruvat + Glutamat Glutamat + N~ + H20 ~ ~Ketoglutarat + NADH + NH4~ Netto: Alanin + NAD~ + H20 IL Pyruvat + NADH + NH4~ Resultat: Oksidativ deaminering av aminosyrer. Frigjordt NH4 brukes i ureasyntesen. Aminosyrens karbonskjelett kan forbrennes eller brukes i glukoenogenesen. Dette foregår i mitokondriematriks. Glutamat DH finnes bare i mitokondriematriks, og NH4~ frigjøres derfor i matrix hvor den omsettes videre av mitokondriell karbamoylfosfat syntetase. b. Feil. Karbamoylfosfat syntetase I katalyserer følgende reaksjon. HC03 + NH~ + 2ATP -)Karbamoylfosfat + 2ADP + Pi i- 3H~ Reaksjonen er derfor særdeles ATP-krevende. Manglende mitokondriell syntese av ATP medfører at karbamoylfosfat syntetasen hemmes. Det er riktig at konsentrasjon av NH3 i blod vil øke. Dette fordi NH3 ikke fanges opp som karbamoylfosfat og dermed ikke føres inn i ureasyntesen. Side 12 av 13

18 c. Riktig. Arbeidende skjelettmuskel har høy glykolytisk aktivitet. En vesentlig andel av glykolytisk pyruvat kommer ikke inn i sitronsyresyklus fordi 02- tilførselen begrenser aerob katabolisme. En andel av pyruvat vil reduseres til laktat (LDH), som så skilles ut i blodbanen (overskudd av reduserende ekvivalenter). Arbeidende skjelettmuskel har også et NH3 overskudd (fordi karbonskjeletter til enkelte aminosyrer forbrennes). Overskudd av NH3 overføres til pyruvat som derved omdannes til alanin. Hvordan glutamat DH og aminotransferaser medvirker til dette, forventes ikke. d. Riktig. De fleste vev Lever NHL ATP I GIutamat~ Urea + Glutanin synt~ase ADP 4~j H~0 Glutamin Glutanin Glutaminsyntese som vist på figuren. Overskudd av glutamin i perifere vev skilles ut i blodbanen. Glutamin tas opp i leverceller og omsettes som vist pa fig u ren. Glutamin tas også opp i nyrer og tarm, men funksjoner her forventes ikke. Det medisinske fakultet, Oslo, 9. desember 2013 Signatur leder av eksamenskommisjon Side 13 av 13