MINISTERIET FOR BØRN, UNDERVISNING OG LIGESTILLING STYRELSEN FOR UNDERVISNING OG KVAL[EET Bioteknologi A Om-terminsprØve Af opgaverne i og 2 skal begge opgaver besvares. Af opgaverne 3 O4 skal en og kun en af opgaverne besvares. Fredag den Kl. 9.00-14.00 16. marts 2018
5. 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. En gymnasieklasse har arbejdet med gelelektroforese. De har påført b landinger af DNA-stykker til 6 mellem størrelsen af et DNA-stykke og dets vandringslængde. (bp) (mm) Størrelse afdna Vandringslængde 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 ifigur 2. stykker efter størrelse ved hjælp afgelelektroforese. Inddragfigur 1. 5, 1. Beskriv de kemiske egenskaber ved DNA-molekylet, som gør det muligt at adskille DNA 10000 7,0 6000 15,0 2000 35,0 1300 44,5 650 57,0 400 66,1 200 79,8 figur 2. Sammenhørende værdier af størrelse afdna-stykker angivet som antal basepar (bp) og vandringslængder. 2. Afbud resultaterne vist i figur 2, og argumentér for, at der er en eksponentiel sammenhæng 2 figur i. Udsnit afdna-rnolekyle. o=p-o Opgave i Gelelektroforese og Alu-elementer
b. En elev, der har en homozygotisk genotype for en længde på 1000 bp. a. En elev, der har en homozygotisk genotype for en længde på 700 bp. 3. Beregn vandringlængden afdna-stykker fra locus PV92 på gelen fra følgende personer: flytte sig i genomet. af en længde på cirka 300 bp. Et Alu-element er en transposon, det vil sige et stykke DNA, der kan 5. Forklar, hvorfor et Alu-element kan være årsag til mangel på cholinesterase. Angiv endvidere genotyper for de seks familiemedlemmer samt for patientens forældre. 4. Tegn et stamtræ for familien ifigur 3, der viser nedarvningen afegenskaben. b) De seks familiemedlemmer og deres fænotyper. stykkerne er vist til venstre på figuren. Figur 3. 2 6 Ingen produktion af cholinesterase. Patient (mand). Patientens partner (kvinde). Normal produktion af cholinesterase. Patientens søn. Patientens datter. Patientens bror. Ingen produktion af cholinesterase. Patientens søster. Nedsat produktion af cholinesterase. Nedsat produktion af chotinesterase. Normal produktion af cholinesterase. 731 I I I I I I I I I a) Resultat afgelelektroforese med DNA-stykker afgenet for cholinesterase fra seks familiemedlemmer. Størrelsen af 3 427 bp i 2 3 4 5 6 Bane a) b) Figur 3 viser resultatet af en gelelektroforese med DNA-stykker afgenet for cholinesterase fra en at variation i genet for chotinesterase kan skyldes et indsat Alu-element. Godt 10 % af menneskets DNA består af mobile Alu-elementer, og de kan være ansvarlige for familie. udviklingen af en række genetisk betingede variationer og sygdomme. Det har blandt andet vist sig, Hos nogle mennesker har locus PV92 dog en længde på 1000 bp, fordi der er indsat et Alu-element Eleverne udførte samtidig et forsøg, hvor de undersøgte deres eget DNA. De undersøgte et locus på kromosom nummer 16, som man kalder PV92. dette I locus har DNA normalt en længde på 700 bp.
Opgave 2 Penicillin G Penicillin var det først anvendte antibiotikum. Der findes flere forskellige varianter af penicillin, blandt andet penicillin G, der ses ifigur 1. 0 figur 1. Kemisk struktur afpenicillin G pk5(-000h) = 2,8 1. Redegør for, om der forekommer stereoisomeri i penicillin G. Benyt eventuelt bilag]. Penicillin G kan fremstilles ved hjælp af svampen Penicillium chrysogenurn, udskiller stoffet i et flydende vækstmedium, sefigitr 2. der naturligt danner og 14 12 10 0,5 0,45 0,4 0,35 11 -J $ 6 0,3 0,25 0,2 -J 4 0,15 2 0,1 0,05 0 0 20 40 60 80 Tid, timer 0 100 120 140 figur 2. Afbildning af resultater fra vækstforsog med Penicitlium chrysogenurn, der danner penicillin G. Biornassen af Penicitlium chrysogenum (rod) samt koncentrationen afgiucose (blå) og penicillin G (grå) er angivet i g/l. 2. Analysérfigur 2, og vurder, hvornår det er mest hensigtsmæssigt at oprense penicillin G. 4
Når svampekulturen er filtreret fra vækstmed jet, ekstraheres penicillin G med esteren butytethanoat, sefigur 3. ----oj_o Figur 3. Kemisk struktur afbutylethanoat. fordelingsforholdet mellem den formelle koncentration af penicillin G opløst i butylethanoat og i vand kaldes D: Cpenjcjlljn G (butylethanoat) Cpenicillin G (aq) Fordelingsforholdet afhænger afvandfasens ph-værdi, som angivet ifigïtr 4. ph D 2,1 25 5,8 0,1 Figur 4. Fordetingsforholdet D for penicillin G opløst i butylethanoat og i vand. 3. Forklar, hvorfor fordelingsforholdet D afhænger afph. Inddragfigur 1, 3 og 4. Opgaven fortsættes næste side 5
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 fl-lactamase, som kan nedbryde penicillin. Reaktionen er vist i figur 5. R H /3-Iactamase 0 Figur 5. Reaktionsskema for nedbrydning af penicillin. Sidegruppen R varierer mellem forskellige typer penicillin. Strukturen i den rode cirkel betegnes f3-lactarn. 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 j3-lactamringen end penicillin G, se figur 6. På nogle typer af bakterier virker methicillin mere effektivt end penicillin G. a) b) çj J NH Methicill in 0 Penicillin G 0 Figur 6. a) Kemisk struktur afmethicillin. b) Kemisk struktur af penicillin G. 5. Giv forslag til, hvorfor methicillin virker mere effektivt på nogle typer af bakterier end penicillin G. 6
Opgave 3 Insulin Insulin er et protein, der består af to peptidkæder, en A-kæde og en B-kæde, som vist i både figur Ja og b. a) b) A-kæde 5 H2N Gly lie Val Glu GCys Cys Thr Ser lie Cys Ser Leu Tyr GIn Leu Glu Asn Tyr Cys Aun CO B-kæde i 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 21 s 5 H2N Phe Val Asn Gin His Leu Cys Gly Ser His Leu VaT Glu Ala Leu Tyr Leu Val Cys Gly 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 -z Arg 22 Gly HOOC Thr Lys Pro Thr Tyr Phe Phe 23 30 29 28 27 26 25 24 1vkii 6tirf5 Figur 1. a) Prirnærstruktur af insulin, b) 3D-struktur af insulin. 1. Beskriv strukturen af insulin ved hjælp affigur Ja og b. Insulin fungerer som et hormon, der indgår i regulering af btodets indhold af gtucose. Kormonet 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 Glycogen \ Vesikel med glucosetransportør Aktiv glycogensyntese S s Glucose 4 Figur 2. Insulins påvirkning af en rnålcelte. MivkR i3føflk 2. Forklar, hvordan insulin medvirker til at regulere blodets indhold afglucose. Inddrag en beskrivelse af de enkelte trin påfigur 2. Opgaves fortsættes næste side 7
Ved sygdommen type 1-diabetes ødelægges de celler i bugspytkirtlen, der danner insulin. Diabetikere1 måler jævnligt deres koncentration afbiodgiucose 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 afblodglucose, 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 insulinmolekyter holdes blandt andet sammen af intermolekylære bindinger2 mellem aminosyrer i C-terminalerne, som vist i figur 3a. Tre dimerer samles spontant til en hexamer, se figur 3b. a) b) Gly B23 G1uB21 Pro B28 Dimer 3 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 2$ i B-kæden. 4. Giv forslag til, hvorfor udskiftning afprotin med aspartat kan modvirke dannelse afdimerer. Inddragfigitr 3a. Personer, der lider af sukkersyge (diabetes). 2 Kaldes også intermolekylære kræfter. 8
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 Ki og K2. Påfigur 4 er angivet størrelserne på ligevægtskonstanterne. Ki dækker ligevægten, hvor en hexamer omdannes til tre dimerer. K2 dækker tigevægten, hvor en Ulmer omdannes til to monomerer. MrkR 6,jh K11O3M2 K2=105M Hexamer Dimerer Monomerer Figur 4. Ligevægte mellem hexamer, dimerer og monomerer af insulin. 5. Diskuter på grundlag af resultaterne, vist ifigur 4, hvordan det medicinske insulin kan forventes at virke i kroppen. 9
Opgave 4 Hudbæft og UV-stråling Almindelig hudkræft er den hyppigste kræftform i Danmark, og i cirka 90 % af tilfældene er UV stråling 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 ifigur]. a) b) UV-stråling E;s:_) MarkR Grafik figur 1. a) Normal DNA-streng med to A-T basepar fremhævet, b) Dannelse afthymindimer som følge afuv-stråling. 1. Giv forslag til, hvordan dannelsen afthymindimerer kan påvirke en celles replikation. Inddragfigur 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. r:: - t 2 Cellerne blev derefter mikroskoperet. De levende celler vil omdanne methylenblåt til methylenhvidt, mens farvestoffet vil forblive blåt i de døde celler, se figur 2. 1 figur 2. Mikroskopering af gærceller. Levende celler er gennemsigtige, mens døde celler er uigennemsigtige blå. 10
figur 3 viser reaktionen, hvor methylenblåt ved hjælp af glticose omdannes til methylenhvidt i levende gærceller. CH3 / H3C N H HO H H + 0H H H H3C N H \CH3 Methylenblåt Glucose H3Cø Figur 3. Reaktionsskema for omdannelse afmethylenblåt til methylenhvidt. H CH3 Methylenhvidt H HO H H H H H 2,345,6-pentahydroxyhexanoat 2. Argumentér for, at glucose oxideres i reaktionen, vist ifigitr 3. Gærcellerne blev titsat i dråbe methylenblåtopløsning med en koncentration på 3,0 i03 M. Antag at en dråbe har et volumen på 50 10_6 L, og at gærcellerne kan omdanne alt methylenblåt til methylenhvidt. 3. Beregn massen afglucose, som gærcellerne omdanner efter tilsætning af I dråbe methylenblåtopløsning. Svaret skal angives i jig. Opgaves fortsættes næste side 11
------- --- - --. - - - - Eleverne talte antallet af levende og døde gærceller i mikroskopet efter bestråling. De beregnede procentdelen afgærceller, der var overlevet ved de forskellige stråledoser. Resultaterne ses ifigur -I. 100 90 80 70 o. 60 -- ci -zj 0) > 50 -. 40 30 20 10 0 0 5 10 15 20 25 30 Stråledosis (kj) Figur 4. Procentdel afgærceller, der er overlevet som funktion afstråledosis i kilojoule (kj) 4. Analysér resultaterne fra forsøget med gærceller, vist ifigur 4. Kræftens Bekæmpelse anbefaler, at man om sommeren bruger solcreme og solhat, og at man undgår solen mellem kl. 12 og 15. 5. Diskuter Kræftens Bekæmpelses anbefalinger, og vurder om resuttaterne fra forsøget med gærceller, vist i figur 4, kan underbygge anbefalingerne. 12
Figurliste Opgave i 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 la, 2 og 4: MarkR grafik/hans Marker. Figur ib: http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureld=5ena Figur 3: Palmer, Michael et al.: Notes to Biochemical Pharmacology. Wiley, 2013. 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 flot inciude the right to grant others permission to photocopy or otherwise reproduce this material except for accessibte 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
Skole: Å Studentereksamen 12. august 2016 frs 1 62-BTKJA- 12082016 Bilag i Ark nr. af i alt ark. Navn: Klasse: / Kemisk struktur af penicillin G