NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR BIOTEKNOLOGI Faglig kontakt under eksamen: Institutt for bioteknologi, Gløshaugen Professor Kjell M. Vårum, tlf. 93324 (mob. 930 22165) EKSAMEN I EMNE TBT4100 BIOKJEMI GRUNNKURS 29. november 2007 kl. 15.00 19.00 Hjelpemidler: B1-Typegodkjent kalkulator (med tomt minne) i henhold til liste utarbeidet av NTNU tillatt. Ingen trykte eller håndskrevne hjelpemidler tillatt. LØSNINGSFORSLAG Oppgave 1 Du har oppdaget og renset et nytt polypeptid (lite protein) som hemmer veksten av visse kreftceller og har funnet at det har følgende aminosyre-sammensetning: Aminosyre Antall Alanin 3 Glycin 3 Asparaginsyre 1 Lysin 1 Cystein 2 a) Hvilken nettoladning har polypeptidet ved ph 1? Enn ved ph 13? Anslå også polypeptidets isoelektriske punkt. Bruk følgende pk S verdier for de ladede gruppene: Alfa-amino gruppe: 9,7 Alfa-karboksyl gruppe: 2,3 Amino-gruppe i sidekjede: 10,5 Karboksyl-gruppe i sidekjede: 4,1
ph 1: +2 ph 13: -2 pi: 6,9 b) Forklar hva som menes med et proteins sekundær-struktur og tertiær-struktur. Polypeptidet som er beskrevet i oppgave a) mister evnen til å hemme veksten av kreftceller når det blir behandlet med merkapto-etanol. Forklar hvorfor. Sekundær-struktur: struktur som dannes ved svake bindinger (eks. H-bindinger) mellom aminosyrer som ligger nært hverandre i peptidkjeden. Eksempel: alfa-heliks Tertiær-struktur: struktur som dannes ved hvordan sekundærstrukturer anordnes i forhold til hverandre. Merkapto-etanol bryter S-S bindinger dannet mellom cystein-enheter i polypeptidkjeden (dette polypeptidet inneholder to cystein-enheter). Slike S-S bindinger bidrar til å stabilisere tertiærstrukturen av proteiner og er dermed viktige for biologisk aktivitet (her: hemming av visse kreftcellers vekst). c) Tegn strukturen av D-glukose i åpen form og vis reaksjonen for hvordan glukosemolekylet danner en ring-form. Hvorfor eksisterer det to ulike former av glukosemolekylet når det foreligger i ring-form? Struktur og ringform: se læreboka Ved dannelsen av ringformen av glukose reagerer hydroksylgruppa på karbon 5 med aldehydgruppa til dannelse av et hemiacetal. Det dannes dermed et nytt asymmetrisk karbon-atom (karbon 1) som kan foreligge i to ulike optiske former (alfa og beta). d) Stivelse er et polysakkarid som finnes i store mengder bl.a. i visse typer frø fra planter. Skisser den kjemiske strukturen av et stivelses-molekyl. Hvilken funksjon har stivelsen i frøet? Kjemisk struktur av stivelses-molekyl: Se læreboka. Må tegnekjemisk struktur med både alfa 1-4 bindinger og 6-forgreninger for å få full uttelling. Funksjon er som opplagsnæring, dvs. under spiringen av frøet brytes stivelsen ned til glukose og videre i glykolysen, sitronsyresyklus og oksydativ fosforylering for å skaffe energi til syntese av biomolekyler i spirefasen, dvs. i fasen før fotosyntesen kommer i gang.
Oppgave 2 Glykolysen og sitronsyresyklusen er universelt konserverte metabolske spor. a) Tegn opp glykolysen. Skriv navnene på forbindelsene og tegn piler mellom dem. Marker inn- og utgående ATP, ADP, Pi, NAD + og NADH. Kjemiske formler og navn på enzymer kreves ikke. Se læreboka. b) Tegn opp sitronsyresyklusen. Inkluder reaksjonen som kobler sammen glykolysen og sitronsyresyklusen. Skriv navnene på alle forbindelsene og tegn piler mellom dem. Marker inn- og utgående GTP, GDP, Pi, NAD +, NADH, FAD, FADH 2 og CO 2. Kjemiske formler og navn på enzymer kreves ikke. Se læreboka. c) Sitronsyresyklusen går kun ved tilstedeværelse av oksygen. Beskriv med reaksjonslikning hva som skjer med pyruvat fra glykolysen i en hardt arbeidende muskel (anaerobe forhold). Tegn strukturen på molekylet som dannes fra pyruvat. Denne reaksjonen er en metabolsk blindvei. Hva oppnås med denne prosessen? pyruvat + NADH + H+ => laktat + NAD+. Struktur laktat: se læreboka Reaksjonen gjendanner NAD+ til glykolysen. Oppgave 3 Både oksidativ fosforylering og fotofosforylering resulterer i dannelse av ATP. Disse prosessene involverer bl.a. elektrontransport gjennom hhv. elektrontransportkjeden for respirasjon (fra NADH/FADH2 til O 2 ) og elektrontransportkjeden for fotosyntesen (fra H 2 O til NADPH). a) Hvor i en eukaryot celle er elektrontransportkjedene for respirasjon og fotosyntese lokalisert? Gi så nøyaktige svar som mulig. Elektrontransportkjeden for respirasjon: innermebranen i mitokondriene Elektrontransportkjeden for fotosyntesen: thylakolidemembranen
b) Lag en liste over fire hovedkomponenter i oksidativ fosforylering og fotofosforylering som har funksjonelle likhetstrekk. Svar i en tabell på formen oppgitt under. (Du kan evt. levere inn dette arket med tabellen utfylt) Navn på komponent(er) Type komponent Funksjon(er) Respirasjonskjeden Fotosyntesen Lite hydrofobt molekyl Vannløselig protein Membran-protein I Membran-protein II Navn på komponent(er) Type komponent Funksjon(er) Respirasjonskjeden Fotosyntesen Lite hydrofobt molekyl Elektrontransportører ( i membranen) Ubiquinone (Q)/ Ubiquinol (QH2) Plastoquinon (Q)/plastoquinol (QH2) Vannløselig protein Elektrontransportør Cytochrome c Plastocyanin eller ferredoxin (1) Membran-protein I Protonpumper, elektrontransportør Complex (I) Complex III Complex IV Photosytem II Cytochrome bf Photosystem I Membran-protein II ATP-syntese ATP-synthase ATP-synthase Membranprotein I og II kan begge være protonpumpe og elektrontransportør. (Det er flere muligheter, som også har gitt (del) poeng)
c) Reaksjon (I) under er sentral for respirasjonsprosessen. (I) NADH + H + + ½O 2 NAD + + H 2 O Du oppgitt følgende data: (II) ½ O 2 + 2 H + + 2 e - H 2 O, ε 0, II = + 0,82 V (III) NAD + + H + + 2 e - NADH, ε 0, III = - 0,32 V (IV) Faradays konstant = F = 96,48 kj mol -1 V -1 For reaksjon (I): - Skriv med symboler opp et uttrykk for endringen i reduksjonspotensiale (Δε 0, også kalt ε 0 rx ). - Regn ut verdien av Δε 0 - Skriv med symboler opp et uttrykk for endringen i Gibbs frie energi (ΔG 0 ). - Regn ut verdien av ΔG 0 - Er reaksjonen spontan? (begrunn svaret). Δε = ε 0, II - ε 0, III = 0,82 V - (-(0,32 V) = 1,14 V ΔG = - n*f*ε 0 = -2* (96,48 kj/mol*v)* 1,14 V = - 219,97 Reaksjonen er spontan Oppgave 4 a) Forklar kort de molekylærbiologiske begrepene: - transkripsjon - translasjon - promotor - Okazaki-fragment - Shine-Dalgarno sekvens - transkripsjon: polymerisering av NTP til RNA ved bruk av DNA som templat - translasjon: polymerisering av aminosyrer fra ladde trna til protein i ribosomer ved bruk av informasjon i RNA - promoter: DNA-sekvens som bindes av RNAp eller RNAp-kompleks og bestemmer transkripsjonsstart - Okazakifragmenter: Korte DNA fragment dannet på lagging strand under DNA-replikasjon siden DNAp kun kan polymerisere i 5 3 retningen. - Shine Dalgarnosekvens: Ribosombindigssete på et mrna
b) Skriv følgende DNA sekvens på RNA form og skriv sekvensen på peptidet som dannes ved translasjon fra første kodon. Bruk tabellen under. Marker N- og C-terminal ende på peptidet. 5 -ATGGCGCATCCGATCATTTGATCATCC-3 (kodende tråd) 5 -AUG-GCG-CAU-CCG-AUC-AUU-UGA-UCA-UCC-3 N-MAHPII-C c) Ved DNA-replikasjon i E. coli (en prokaryot) jobber mange proteiner rundt replikasjonsgaffelen. Oppgi minst fire slike proteiner med navn og beskriv kort hva hvert enkelt protein gjør.
Alternativer: Topiosomerase II: Relaxerer overtvunnet dsdna foran replikasjonsgaffelen Helikase : separerer trådene i dsdna ved replikasjonsgaffelen SSB: binder ssdna og forhindrer reassosiasjon Primase: Lager RNAprimer DNA polymerase III: polymeriserer dntp til DNA DNApolymerase I: fjerner primer + fyller inn gaps mellom Okazaki-fragment DNA ligase: Kobler sammen Okasakifragmentene d) RNA polymerase i en prokaryot består av subenheter α 2 ββ σ. Gi en kort beskrivelse av subenhet σ sin rolle i transkripsjon. Hva kalles de konserverte elementene i en promotor fra en prokaryot? Vis innbyrdes posisjon med en enkel skisse. σ-subenheten i RNAp er ansvarlig for gjenkjenning av promotorsekvenser. Den finnes i mange varianter som binder ulike typer promotorer. UP-element, -35 og -10 region, +1