Bioteknologi A Studentereksamen Gammel ordning Af opgaverne 1 og 2 skal begge opgaver besvares. Af opgaverne 3 og 4 skal en og kun en af opgaverne besvares. gl-frs182-btk/a-14082018 Tirsdag den 14. august 2018 kl. 9.00-14.00
pgave 1 Nanopartikler og sirna Medicin bliver ofte nedbrudt under transport i kroppen. For at undgå dette forsøger forskere at indkapsle medicinen, for eksempel i polymeren chitosan, der er et carbohydratlignende stof. Herved dannes nanopartikler, som kan hjælpe medicinen ind i målcellerne. Figur 1 viser et udsnit af en chitosanpolymer. H H 6 4 H 5 3 2 1 NH 2 H 4 3 2 5 6 H NH 2 Figur 1. Udsnit af polymeren chitosan, hvor tre monomerer er vist på uladet form. 1 4 H 6 H 5 3 2 1 NH H 1. Forklar, hvorfor bindingen mellem to monomerer i chitosan, vist i figur 1, kaldes en β-1,4-binding. I et forsøg har man undersøgt, hvordan ladningen af chitosan i en opløsning afhænger af ph. På det grundlag har man konstrueret et bjerrumdiagram, se figur 2. Syrebrøk 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 ph Figur 2. Bjerrumdiagram for chitosan. 2. Argumentér for, at chitosan er positivt ladet ved ph 5. Lav eventuelt markering på figur 2. 2
Chitosan kan blandt andet bruges til at transportere en type af små dobbeltstrengede RNAmolekyler i kroppen. RNA-molekylerne kaldes sirna, se figur 3. - P H 5' - P P H 3' H H Guanin NH 2 H Uracil NH 2 Cytocin NH 2 Guanin NH 2 Adenin NH 2 H Cytocin NH 2 H H 3' H P - P 5' H P - - Figur 3. Udsnit af sirna ved ph 5. Et sirna-molekyle er normalt 20-25 basepar langt. - I en opløsning med en ph-værdi på 5 kan man få chitosan og sirna til at danne nanopartikler i form af små kugler. 3. Angiv hvilke bindinger, der kan holde chitosan og sirna sammen i nanopartiklerne. Det har vist sig, at sirna har stor betydning for bekæmpelse af kræft. Men for at have en effekt skal det transporteres ind i kræftcellerne. 4. Giv forslag til, hvordan sirna kan transporteres ind i kræftcellerne. 3
I nanopartiklerne anvendes sirna, der passer til mrna fra gener af betydning for udvikling af kræft i cellerne. Figur 4 viser hvordan sirna virker i en kræftcelle. sirna Cytoplasma Kerne DNA mrna Enzymkompleks RNA nedbrydes MarkR Grafik Figur 4. Virkning af sirna i kræftceller. 5. Redegør ved hjælp af figur 4 for, hvordan sirna virker i kræftceller, og vurder herunder, hvilken betydning det kan have for kræftcellens vækst. 4
pgave 2 Smerte og smertelindring Alle mennesker kender til at føle smerte. Smerte kan opstå, hvis vi for eksempel skærer os i fingeren eller forstuver en ankel. De celler, der opfanger smerten, danner nogle signalstoffer, der kaldes prostaglandiner. Prostaglandiner aktiverer vores nervesystem, som vist på figur 1. Prostaglandin Na + Yderside Inderside Kaskade Dendrit Ranviersk indsnøring Axon Myelinskede MarkR Grafik Figur 1. Prostaglandiners virkning på en nervecelle. En kaskade er flere reaktioner, der følger efter hinanden. 1. Forklar ved hjælp af figur 1, hvordan membranpotentialet påvirkes, når prostaglandiner binder sig til nervecellerne. Før smerten registreres i vores bevidsthed, skal nervesignalet sendes op til hjernen. Det sker både gennem hurtige nervefibre og langsomme nervefibre. Nervesignalet fra de hurtige fibre registreres som en skarp præcis smerte, mens signalet fra de langsomme fibre giver en mere trykkende og upræcis smerte. 2. Giv forslag til, hvorfor nogle nervefibre er hurtigere end andre. Inddrag figur 1. 5
Acetylsalicylsyre er et middel, der kan bruges til at behandle svage smerter. Mængden af acetylsalicylsyre i en hovedpinetablet kan bestemmes ved en syre-base-titrering. I et forsøg har man pulveriseret og opløst en hovedpinetablet i 20 ml ethanol. pløsningen er blevet titreret med 23,9 ml 0,116 M NaH. Titreringsreaktionen ses i figur 2. H - + H - + H 2 Figur 2. Titreringsreaktion mellem acetylsalicylsyre og hydroxid. 3. Beregn massen af acetylsalicylsyre i tabletten. Acetylsalicylsyre virker ved at hæmme enzymet CX (Cyclooxygenase), der medvirker til at omdanne et substrat til prostaglandin. Acetylgruppen (CH3C-) i acetylsalicylsyre bindes med en elektronparbinding til aminosyren serin i det aktive center i CX, der herved hæmmes, se figur 3a og b. a) 1. 2. 3. Serin Aktivt center CX MarkR Grafik Substrat Prostaglandin b) Serin Acetylgruppe CH 3 MarkR Grafik Substrat Figur 3. a) Normal funktion af CX. b) Hæmning af CX. 6
4. Giv forslag til, hvordan acetylsalicylsyre hæmmer CX. Inddrag figur 3. Acetylsalicylsyre hydrolyseres i blodet til salicylsyre (2-hydroxybenzoesyre). Salicylsyre kan direkte udskilles i urinen, men det meste omdannes i leveren. Salicylsyre bliver blandt andet omdannet til 2,3-dihydroxybenzoesyre, der så udskilles via urinen. Urin har normalt en ph-værdi i intervallet 5-6. Figur 4 viser den kemiske struktur af salicylsyre og 2,3-dihydroxybenzoesyre, samt deres log D ved ph 5 og deres pks. Log D er logaritmen til fordelingsforholdet mellem den formelle koncentration af stofferne opløst i octan-1-ol og i vand: log DD = log ( cc (octan 1 ol) ) cc (aq) a) b) H H H H H Log D = - 0,22 og pks = 2,79 log D = - 0,73 og pks = 2,56 Figur 4. Den kemiske struktur af a) salicylsyre og b) 2,3-dihydroxybenzoesyre samt deres pks og log D ved ph 5. 5. Giv forslag til, hvorfor 2,3-dihydroxybenzoesyre opløses lettere end salicylsyre i urin. Inddrag de to stoffers pks og log D værdier, vist i figur 4. 7
pgave 3 Ajoen og lungesygdommen primær ciliedyskinesi I hvidløg findes stoffet ajoen, se figur 1. Ajoen har forskernes interesse til medicinsk brug, for eksempel undersøges det, om ajoen kan have en bakteriehæmmende effekt. a) b) www.shutterstock.com S A S S S B S S Figur 1. a) Hvidløg. b) To isomere former A og B af ajoen. 1. Gør rede for, hvilken type isomeri, der forekommer i ajoen. Inddrag figur 1b. Nogle forskere har arbejdet med at udvinde ajoen fra hvidløg. I et forsøg har de undersøgt temperaturens betydning for udbyttet af ajoen. Hvidløg blev blendet og blandet med olie for at opløse ajoen, og derefter blev blandingen opvarmet til henholdsvis 40, 60, 80 og 100 C. Tilstedeværelsen af ajoen blev derefter påvist ved hjælp af tyndtlagskromatografi (TLC). Lige store mængder af de opvarmede hvidløgsekstrakter blev påsat TLC-pladen sammen med kontrolprøver med hver sin isomer af ajoen. Herefter blev pladen anbragt i et kromatografikar, der indeholdt en upolær løbevæske. Resultatet af forsøget ses i figur 2. MarkR Grafik R f = 0,52 R f = 0,45 A B 40 60 80 100 1 2 3 4 5 6 Figur 2. Resultat af TLC. Bane 1 og 2 er kontrolprøver med hver sin isomer af ajoen, og bane 3, 4, 5 og 6 er prøver af hvidløgsekstrakt opvarmet til henholdsvis 40, 60, 80 og 100 C. 2. Analysér resultaterne, vist i figur 2, og vurdér ved hvilken temperatur, der kan udvindes mest ajoen. 8
Forskere har også undersøgt, om ajoen kan bruges i behandling af lungesygdommen primær ciliedyskinesi (PCD), som er en monogen sygdom. Figur 3 viser et stamtræ fra en familie, hvor PCD forekommer. I 1 2 II III 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 IV? 1 2 3 Figur 3. Stamtræ fra en familie hvor PCD forekommer. Personer markeret med sort i stamtræet har PCD. 3. Forklar ud fra figur 3, hvordan PCD nedarves. Bestem endvidere sandsynligheden for, at barn IV-3, som forældreparret i generation III venter, får sygdommen. Et af symptomerne på PCD er hyppige lungebetændelser, der blandt andet er forårsaget af bakterien Pseudomonas aeruginosa. I et forsøg har man undersøgt virkningen af ajoen på antallet af P. aeruginosa-bakterier i lungerne på mus. Musene blev inficeret med bakterien. Herefter blev de opdelt i 2 grupper. Den ene gruppe blev behandlet med ajoen, mens den anden gruppe var ubehandlet. Resultater fra forsøget er vist i figur 4. a) b) 1.000.000.000 100.000.000 10.000.000 Antal bakterier 1.000.000 100.000 10.000 1.000 100 10 1.000.000.000 100.000.000 10.000.000 1.000.000 100.000 10.000 1 1 0 1 2 3 0 1 2 3 Dage Dage Figur 4. Resultater fra forsøg der undersøger virkningen af ajoen på P. aeruginosa i lungerne af mus. a) Antal bakterier pr. lunge i mus behandlet med ajoen. b) Antal bakterier pr. lunge i ubehandlede mus. Grafen går gennem middelværdierne for hver dag, man har bestemt antallet af bakterier i musene. Antal bakterier 1.000 100 10 4. Analysér resultaterne vist i figur 4, og kom med forslag til, hvad årsagen kan være til den store spredning af punkterne i datasættet. 5. Diskuter, hvordan forsøgsresultaterne fra ovenstående forsøg kan bruges til at belyse, om ajoen er velegnet til behandling af PCD hos mennesker. 9
pgave 4 Sukker gør gylle mere miljøvenlig Gylle, der er flydende dyregødning fra stalde, opbevares typiske i store tanke, se figur 1. Foto: Bent Lauge Madsen. Figur 1. En gylletank med gylle. Gylle indeholder ammoniak (NH3), der indgår i syre-base-ligevægt med ammonium (NH4 + ), se reaktion 1: NH4 + (aq) + H2(l) NH3(aq) + H3 + (aq) (1) Ammoniak fordamper let til atmosfæren, idet reaktion 2 forløber: NH3(aq) NH3(g) (2) Ammoniak føres via luftstrømme og nedbør til naturområder, hvor den har negativ indflydelse på de vilde planter og biodiversiteten. 1. Forklar, hvad der sker med ligevægten vist i reaktion 1, når ammoniak fordamper til atmosfæren. Gylle har normalt en ph-værdi på 7,2, og pkb for ammoniak er 4,75 ved 25 C. 2. Beregn andelen af ammoniak i gylle ved ph 7,2 og 25 C. 10
Man forsøger at mindske ammoniakfordampningen fra gyllen ved at forsure den. Normalt bruges svovlsyre til at forsure gyllen, men ny forskning har vist, at organiske syrer dannet ud fra forskellige carbohydrater kan være et godt alternativ. 3. Giv forslag til hvilke biotiske og abiotiske faktorer i gyllen, der muliggør omdannelsen af carbohydrater til organiske syrer. Figur 2 viser resultaterne fra forsøg, hvor der er tilsat enten 30 g glucose eller 30 g cellulose pr. L gylle. 8 7 6 ph 5 4 3 Dag 0 Dag 7 Dag 39 2 1 0 Kontrol Glucose Cellulose Figur 2. Forsøg med gylle. a) Kontrol. b) Gylle tilsat glucose i en koncentration på 30 g/l. c) Gylle tilsat cellulose i en koncentration på 30 g/l. 4. Analysér resultaterne, vist i figur 2. Der arbejdes med andre alternative metoder til at reducere fordampning af ammoniak fra gylle, blandt andet: a) Ændring i produktionsdyrenes foder til et lavere proteinindhold. b) verdækning af gylletanke. c) Nedfældning af gylle i marken 1. 5. Forklar, hvorfor de nævnte metoder a), b) og c) kan medvirke til at reducere fordampning af ammoniak fra gylle. Inddrag reaktion 1 og 2. 1 Gylle nedfældes i jorden med en speciel maskine, der placerer gyllen i 10-15 cm s dybde. 11
Figurliste pgave 1 Figur 1, 2 og 3: Dorte Ankerfelt. Figur 4: MarkR grafik/hans Marker. pgave 2 Figur 1 og 3: MarkR grafik/hans Marker. Figur 2 og 4: Dorte Ankerfelt. pgave 3 Figur 1a: Shutterstock.com Figur 1b: Hanne Wolff. Figur 2 og 3: MarkR grafik/hans Marker. Figur 4: Dorte Ankerfelt. pgave 4 Figur 1: Bent Lauge Madsen. Figur 2: Kristine Rask Raae. 12
AGYM 182-05