Terminsprøve. Mandag den 20. marts 2017 Kl

Transkript

1 Terminsprøve Mandag den 20. marts 2017 Kl

2 Bioteknologi A Studentereksamen Af opgaverne 1 og 2 skal begge opgaver besvares. Af opgaverne 3 og 4 skal en og kun en af opgaverne besvares. frs162-btk/a Fredag den 12. august 2016 kl

3 Opgave 1 Gelelektroforese og Alu-elementer En gymnasieklasse har arbejdet med gelelektroforese. De har påført blandinger af DNA-stykker til brønde på en gel, der var nedsænket i en pufferopløsning med ph omkring 8. Derefter har de adskilt DNA-stykkerne på gelen efter størrelse ved elektroforese. Figur 1. Udsnit af DNA-molekyle. 1. Beskriv de kemiske egenskaber ved DNA-molekylet, som gør det muligt at adskille DNAstykker efter størrelse ved hjælp af gelelektroforese. Inddrag figur 1. Eleverne har undersøgt sammenhængen mellem størrelse og vandringslængde af DNA-stykker på gelen fra en prøve med DNA-stykker af kendt størrelse. Resultaterne er vist i figur 2. Størrelse af DNA (bp) Vandringslængde (mm) , , , , , , ,8 Figur 2. Sammenhørende værdier af størrelse af DNA-stykker angivet som antal basepar (bp) og vandringslængder. 2. Afbild resultaterne vist i figur 2, og argumentér for, at der er en eksponentiel sammenhæng mellem størrelsen af et DNA-stykke og dets vandringslængde. 2

4 Eleverne udførte samtidig et forsøg, hvor de undersøgte deres eget DNA. De undersøgte et locus på kromosom nummer 16, som man kalder PV92. I dette locus har DNA normalt en længde på 700 bp. Hos nogle mennesker har locus PV92 dog en længde på 1000 bp, fordi der er indsat et Alu-element af en længde på cirka 300 bp. Et Alu-element er en transposon, det vil sige et stykke DNA, der kan flytte sig i genomet. 3. Beregn vandringlængden af DNA-stykker fra locus PV92 på gelen fra følgende personer: a. En elev, der har en homozygotisk genotype for en længde på 700 bp. b. En elev, der har en homozygotisk genotype for en længde på 1000 bp. Godt 10 % af menneskets DNA består af mobile Alu-elementer, og de kan være ansvarlige for udviklingen af en række genetisk betingede variationer og sygdomme. Det har blandt andet vist sig, at variation i genet for cholinesterase kan skyldes et indsat Alu-element. Figur 3 viser resultatet af en gelelektroforese med DNA-stykker af genet for cholinesterase fra en familie. a) b) bp MarkR Grafik Bane Patient (mand). Ingen produktion af cholinesterase. Patientens partner (kvinde). Normal produktion af cholinesterase. Patientens søn. Nedsat produktion af cholinesterase. Patientens datter. Nedsat produktion af cholinesterase. Patientens bror. Ingen produktion af cholinesterase. Patientens søster. Normal produktion af cholinesterase. Figur 3. a) Resultat af gelelektroforese med DNA-stykker af genet for cholinesterase fra seks familiemedlemmer. Størrelsen af stykkerne er vist til venstre på figuren. b) De seks familiemedlemmer og deres fænotyper. 4. Tegn et stamtræ for familien i figur 3, der viser nedarvningen af egenskaben. Angiv endvidere genotyper for de seks familiemedlemmer samt for patientens forældre. 5. Forklar, hvorfor et Alu-element kan være årsag til mangel på cholinesterase. 3

5 Opgave 2 Penicillin G Penicillin var det først anvendte antibiotikum. Der findes flere forskellige varianter af penicillin, blandt andet penicillin G, der ses i figur 1. Figur 1. Kemisk struktur af penicillin G. 1. Redegør for, om der forekommer stereoisomeri i penicillin G. Benyt eventuelt bilag 1. Penicillin G kan fremstilles ved hjælp af svampen Penicillium chrysogenum, der naturligt danner og udskiller stoffet i et flydende vækstmedium, se figur 2. Figur 2. Afbildning af resultater fra vækstforsøg med Penicillium chrysogenum, der danner penicillin G. Biomassen af Penicillium chrysogenum (rød) samt koncentrationen af glucose (blå) og penicillin G (grå) er angivet i g/l. 2. Analysér figur 2, og vurder, hvornår det er mest hensigtsmæssigt at oprense penicillin G. 4

6 Når svampekulturen er filtreret fra vækstmediet, ekstraheres penicillin G med esteren butylethanoat, se figur 3. Figur 3. Kemisk struktur af butylethanoat. Fordelingsforholdet mellem den formelle koncentration af penicillin G opløst i butylethanoat og i vand kaldes D: DDD c penicillin G (butylethanoat) c penicillin G (aq) Fordelingsforholdet afhænger af vandfasens ph-værdi, som angivet i figur 4. ph DD 2,1 25 5,8 0,1 Figur 4. Fordelingsforholdet D for penicillin G opløst i butylethanoat og i vand. 3. Forklar, hvorfor fordelingsforholdet D afhænger af ph. Inddrag figur 1, 3 og 4. Opgaven fortsættes næste side 5

7 Penicillin påvirker dannelsen af cellevæggen i bakterier ved at inaktivere enzymet glycopeptid transpeptidase. Herved hæmmes bakteriernes celledeling. Mange bakterier har udviklet resistens over for penicillin G. Bakteriernes resistens kan skyldes, at de kan danne enzymet β-lactamase, som kan nedbryde penicillin. Reaktionen er vist i figur 5. Figur 5. Reaktionsskema for nedbrydning af penicillin. Sidegruppen R varierer mellem forskellige typer penicillin. Strukturen i den røde cirkel betegnes β-lactam. 4. Skitsér et forsøg, der kan vise, om bakterier har udviklet resistens over for penicillin G. Det syntetisk fremstillede penicillin methicillin har en anden sidegruppe (R) på β-lactamringen end penicillin G, se figur 6. På nogle typer af bakterier virker methicillin mere effektivt end penicillin G. Figur 6. a) Kemisk struktur af methicillin. b) Kemisk struktur af penicillin G. 5. Giv forslag til, hvorfor methicillin virker mere effektivt på nogle typer af bakterier end penicillin G. 6

8 Opgave 3 Insulin Insulin er et protein, der består af to peptidkæder, en A-kæde og en B-kæde, som vist i både figur 1a og b. a) b) A-kæde S S H 2 N Gly Ile Val Glu Gln Cys Cys Thr Ser Ile Cys Ser Leu Tyr Gln Leu Glu Asn Tyr Cys Asn S S COOH B-kæde S S H 2 N Phe Val Asn Gln His Leu Cys Gly Ser His Leu Val Glu Ala Leu Tyr Leu Val Cys Gly Glu Arg 22 HOOC Thr 30 Lys Pro Thr Tyr Phe Gly 23 Phe 24 MarkR Grafik Figur 1. a) Primærstruktur af insulin. b) 3D-struktur af insulin. 1. Beskriv strukturen af insulin ved hjælp af figur 1a og b. Insulin fungerer som et hormon, der indgår i regulering af blodets indhold af glucose. Hormonet udskilles til blodet fra bugspytkirtlen, og det påvirker målcellernes optagelse af glucose fra blodet, som vist i figur 2. Målcellerne er for eksempel muskel- eller leverceller. Insulin Glucose Kaskade Glucose Vesikel med glucosetransportør Glycogen Aktiv glycogensyntese 4 Figur 2. Insulins påvirkning af en målcelle. MarkR Grafik 2. Forklar, hvordan insulin medvirker til at regulere blodets indhold af glucose. Inddrag en beskrivelse af de enkelte trin på figur 2. Opgaves fortsættes næste side 7

9 Ved sygdommen type 1-diabetes ødelægges de celler i bugspytkirtlen, der danner insulin. Diabetikere 1 måler jævnligt deres koncentration af blodglucose for at sikre, at værdierne holder sig inden for normalområdet. Hvis koncentrationen falder til under 3,6 mm, skal diabetikeren hurtigt indtage glucose. En diabetiker med et blodvolumen på 5,0 L indtager 20 g glucose. 3. Beregn stigningen i stofmængdekoncentration af blodglucose, hvis alle glucosemolekylerne optages fra tarmen. Resultatet skal angives i mm. Behandling af type 1-diabetes kan ske ved medicinering med insulin fremstillet ved hjælp af genmodificerede mikroorganismer. Når insulinmolekylerne dannes, samles de spontant til enheder af to molekyler. Disse enheder kaldes dimerer, mens et frit insulinmolekyle kaldes en monomer. En dimer af insulinmolekyler holdes blandt andet sammen af intermolekylære bindinger 2 mellem aminosyrer i C-terminalerne, som vist i figur 3a. Tre dimerer samles spontant til en hexamer, se figur 3b. a) b) Figur 3. a) Kemisk interaktion mellem aminosyrer i C-terminaler fra hver sin B-kæde i en dimer. Forkortelserne angiver en aminosyres navn og position i peptidkæden. b) Hexamer af insulin sammensat af tre dimerer. I midten ses to zinkioner, der fungerer som cofaktorer. Insulin er kun aktivt som monomer. For at undgå dannelsen af dimerer, modificerer man insulingenet, så det danner aminosyren aspartat (Asp) i stedet for aminosyren prolin (Pro) i position 28 i B-kæden. 4. Giv forslag til, hvorfor udskiftning af prolin med aspartat kan modvirke dannelse af dimerer. Inddrag figur 3a. 1 Personer, der lider af sukkersyge (diabetes). 2 Kaldes også intermolekylære kræfter. 8

10 En type medicinsk insulin indsprøjtes i kroppen på hexamer form. I et forsøg har man opløst hexamerer af denne type medicinske insulin i en vandig opløsning ved 25 C. Ligevægtene mellem hexamerer, dimerer og monomerer indstillede sig, og man bestemte de tilhørende ligevægtskonstanter K1 og K2. På figur 4 er angivet størrelserne på ligevægtskonstanterne. K1 dækker ligevægten, hvor en hexamer omdannes til tre dimerer. K2 dækker ligevægten, hvor en dimer omdannes til to monomerer. K 1 = 10 3 M 2 K 2 = 10 5 M MarkR Grafik Hexamer Dimerer Monomerer Figur 4. Ligevægte mellem hexamer, dimerer og monomerer af insulin. 5. Diskuter på grundlag af resultaterne, vist i figur 4, hvordan det medicinske insulin kan forventes at virke i kroppen. 9

11 Opgave 4 Hudkræft og UV-stråling Almindelig hudkræft er den hyppigste kræftform i Danmark, og i cirka 90 % af tilfældene er UVstråling fra solen årsagen. Når celler udsættes for UV-stråling, kan det medføre, at der dannes en elektronparbinding mellem to thyminmolekyler på den samme DNA-streng. Herved dannes en thymindimer, som vist i figur 1. a) b) UV-stråling T T T T A A A A MarkR Grafik Figur 1. a) Normal DNA-streng med to A-T basepar fremhævet. b) Dannelse af thymindimer som følge af UV-stråling. 1. Giv forslag til, hvordan dannelsen af thymindimerer kan påvirke en celles replikation. Inddrag figur 1. For at undersøge UV-strålings betydning for cellers overlevelse har en gymnasieklasse bestrålet gærceller med forskellige stråledoser. Efter bestrålingen blev en dråbe af en gærcellekultur overført til et objektglas og derefter blandet med en dråbe af farvestoffet methylenblåt. Cellerne blev derefter mikroskoperet. De levende celler vil omdanne methylenblåt til methylenhvidt, mens farvestoffet vil forblive blåt i de døde celler, se figur 2. Foto: Samuel Aeschlimann Figur 2. Mikroskopering af gærceller. Levende celler er gennemsigtige, mens døde celler er uigennemsigtige blå. 10

12 Figur 3 viser reaktionen, hvor methylenblåt ved hjælp af glucose omdannes til methylenhvidt i levende gærceller. Figur 3. Reaktionsskema for omdannelse af methylenblåt til methylenhvidt. 2. Argumentér for, at glucose oxideres i reaktionen, vist i figur 3. Gærcellerne blev tilsat 1 dråbe methylenblåtopløsning med en koncentration på 3, M. Antag at en dråbe har et volumen på L, og at gærcellerne kan omdanne alt methylenblåt til methylenhvidt. 3. Beregn massen af glucose, som gærcellerne omdanner efter tilsætning af 1 dråbe methylenblåtopløsning. Svaret skal angives i µg. Opgaves fortsættes næste side 11

13 Eleverne talte antallet af levende og døde gærceller i mikroskopet efter bestråling. De beregnede procentdelen af gærceller, der var overlevet ved de forskellige stråledoser. Resultaterne ses i figur Levende celler (%) Stråledosis (kj) Figur 4. Procentdel af gærceller, der er overlevet som funktion af stråledosis i kilojoule (kj) 4. Analysér resultaterne fra forsøget med gærceller, vist i figur 4. Kræftens Bekæmpelse anbefaler, at man om sommeren bruger solcreme og solhat, og at man undgår solen mellem kl. 12 og Diskuter Kræftens Bekæmpelses anbefalinger, og vurder om resultaterne fra forsøget med gærceller, vist i figur 4, kan underbygge anbefalingerne. 12

14 Figurliste Opgave 1 Figur 1: Dorte Ankerfelt. Figur 2 og 3b: Kristine Rask Raae. Figur 3a: MarkR grafik/hans Marker. Opgave 2 Figur 1: Dorte Ankerfelt. Figur 2, 3 og 4: Kristine Rask Raae. Figur 5 og 6: Hanne Wolff. Opgave 3 Figur 1a, 2 og 4: MarkR grafik/hans Marker. Figur 1b: Figur 3: Palmer, Michael et al.: Notes to Biochemical Pharmacology. Wiley, Copyright notice: Any third party material is expressly excluded from this permission. If any of the material you wish to use appears within our work with credit to another source, authorisation from that source must be obtained. This permission does not include the right to grant others permission to photocopy or otherwise reproduce this material except for accessible versions made by non-profit organisations serving the blind, visually impaired and other persons with print disabilities (VIPs). Opgave 4 Figur 1: MarkR grafik/hans Marker. Figur 2: Samuel Aeschlimann. Figur 3 og 4: Hanne Wolff. 13

15

16

17

18 Studentereksamen 12. august 2016 frs162-btk/a Bilag 1 Ark nr. af i alt ark. Navn: Klasse: Skole: Kemisk struktur af penicillin G