gl. Biologi A Studentereksamen Af opgaverne 1, 2, 3 og 4 skal tre og kun tre af opgaverne besvares gl-1stx131-bio/a-30052013 Torsdag den 30. maj 2013 kl. 9.00-14.00
Side 1 af 8 sider Opgave 1. Alger til biobrændstof I august 2011 åbnede et forskningscenter på Lolland. På centret forskes i dyrkning af alger til biobrændsel. Algerne dyrkes i store tanke, se figur 1. Figur 1. Algedyrkningstanke. Citater fra Politiken 28. august 2011 Alger skaber grøn vækst på Lolland Lolland dyrker ikke kun alger til biobrændstof og mad, men også for at trække CO 2 ud af atmosfæren og forurening ud af spildevand.. Alger kan trække CO 2 ud af atmosfæren og rense kvælstof- og fosforforurening ud af udledninger fra landbrug, industri og husholdningsspildevand, 1. Forklar, hvordan alger kan trække CO 2 ud af atmosfæren. Biomasse af grønalger fra slægten Botryococcus, se figur 2, kan anvendes til fremstilling af biobrændstof, fordi den vokser hurtigt og har et højt indhold af lipider. Figur 2. Koloni af Botryococcus. Pilene peger på lipiddråber. 2. Giv forslag til en fordel, alger kan have af at producere og oplagre lipider.
Side 2 af 8 sider Undersøgelser har vist, at nitrogenmængden har indflydelse på biomassetilvækst og syntese af lipider hos Botryococcus, se figur 3 og figur 4. Biomasse (g/l) 4,0 Lipid (% af tørvægt) 30 3,5 3,0 2,5 25 20 Lavt N-indhold 2,0 Højt N-indhold 15 1,5 1,0 0,5 Lavt N-indhold 10 5 Højt N-indhold 0 0 3 7 10 13 16 20 Tid (dage) 0 0 3 7 10 13 16 20 Tid (dage) Figur 3. Figur 4. Algevækst under forhold med lavt og højt Algers lipidindhold under forhold med lavt N-indhold i vækstmediet. og højt N-indhold i vækstmediet. 3. Forklar resultaterne vist i figur 3. 4. Beskriv, hvilken indflydelse nitrogenmængden har på syntese og oplagring af lipid hos Botryococcus. Inddrag figur 4. Flere steder i verden findes algedyrkningscentre, hvor alger dyrkes i store tanke svarende til dem, der bruges på forskningscenteret på Lolland. På flere af dyrkningscentrene har der været problemer med følgende: hurtig algevækst, som fører til høj ph-værdi i algedyrkningstankene vækst af andre alger end den dyrkede algeart den årlige solindstråling og temperatur. 5. Vælg et af ovenstående problemer og forklar, hvordan det påvirker den ønskede algevækst negativt.
Side 3 af 8 sider Opgave 2. Udvikling af cadmiumtolerance Foundry-bugten i Hudson River tæt på New York, se figur 1, har været et af de mest cadmiumforurenede områder i verden. En stor del af cadmiumforureningen blev fjernet ved et naturgenopretningsprojekt i 1995. Bundens nedbryderfauna i Foundry-bugten og den nærliggende Syd-bugten domineres af slambørsteormen Limnodrilus hoffmeisteri. Slambørsteormen er ca. 1 mm i diameter og kan blive op til 5 cm lang. Den lever delvist nedgravet i bundmaterialet, som den også æder af. Populationstætheden af L. hoffmeisteri i Foundry-bugten og Syd-bugten fremgår af figur 2. Hudson River Foundry-bugten Populationstæthed (antal/m 2 ) 20 Sydbugten (kontrolområde) 10 Foundry-bugten Syd-bugten Juni August Oktober December 0,5 km Måned Figur 1. Figur 2. Foundry-bugten og Syd-bugtens placering Populationstætheden af L. hoffmeisteri i Foundrybugten ved Hudson-floden. og Syd-bugten i løbet af 1984 0 1. Beskriv en metode til bestemmelse af populationstætheden af L. hoffmeisteri i bundmaterialet. Koncentrationen af cadmium i L. hoffmeisteri i de to bugter i henholdsvis 1984 og 2002, fremgår af figur 3. Koncentration af cadmium i L. hoffmeisteri (μg/g tørvægt) 600 Foundry-bugten 300 Syd-bugten Figur 3. Koncentrationen af cadmium i L. hoffmeisteri i Foundry-bugten og Syd-bugten i 1984 og 2002. 30 15 0 1984 2002 2. Forklar resultaterne vist i figur 3.
Side 4 af 8 sider Cadmium er giftigt for mange organismer, og det undrede biologerne, at populationstætheden af L. hoffmeisteri tilsyneladende ikke var påvirket af de høje cadmiumkoncentrationer i Foundrybugten, se figur 2. Til forklaring af disse observationer opstillede biologerne den hypotese, at slambørsteormene har udviklet tolerance overfor cadmium. For at teste hypotesen, undersøgte biologerne i 1984 overlevelsen af L. hoffmeisteri i bundmateriale i fire deleksperimenter: a. Slambørsteorme fra Foundry-bugten blev anbragt i bundmateriale fra Foundry-bugten b. Slambørsteorme fra Syd-bugten blev anbragt i bundmateriale fra Foundry-bugten c. Slambørsteorme fra Foundry-bugten blev anbragt i bundmateriale fra Syd-bugten d. Slambørsteorme fra Syd-bugten blev anbragt i bundmateriale fra Syd-bugten Hvert deleksperiment blev udført 3 gange, hver gang med 10 slambørsteorme. Det gennemsnitlige antal overlevende slambørsteorme efter 28 døgn i de fire deleksperimenter er vist i figur 4. Gennemsnitligt antal overlevende 10 a. b. c. d. 8 Figur 4. Resultat af overlevelsesforsøg hvor slambørsteorme fra Foundry-bugten og fra Syd-bugten blev anbragt i slam fra Foundrybugten og Syd-bugten. 6 4 2 0 Bundmateriale fra Foundry-bugten Bundmateriale fra Syd-bugten L. hoffmeisteri fra Foundry-bugten L. hoffmeisteri fra Syd-bugten 3. Forklar, hvordan resultaterne vist i figur 4 kan bekræfte den opstillede hypotese. Yderligere undersøgelser har vist, at den udviklede cadmiumtolerance er arvelig og skyldes en kraftigt forøget produktion af et cadmiumbindende protein hos de tolerante slambørsteorme fra Foundry-bugten. 4. Forklar, hvordan der kan opstå en arvelig ændring, der giver en kraftigt forøget produktion af et protein. Figur 5 viser overlevelseskurver for L. hoffmeisteri før og efter naturgenopretningen. Slambørsteormenes overlevelse i cadmiumforurenet vand blev fulgt i løbet af 30 timer. % overlevende 100 90 Foundry-bugten før naturgenopretningen Foundry-bugten 2002 Syd-bugten 2002 80 70 Figur 5. Procent overlevende L. hoffmeisteri udsat for cadmiumforurenet vand. 60 50 0 5 10 15 20 25 30 Tid (timer) 5. Vurder, hvilken rolle selektion har spillet for udviklingen af cadmiumtolerance, før naturgenopretningen, hos L. hoffmeisteri. Inddrag figur 5.
Side 5 af 8 sider Opgave 3. Thrombin Blodstørkningsprocessen består af en række delprocesser. Det første, der sker, er en enzymatisk aktivering af prothrombin til enzymet thrombin. Thrombin katalyserer omdannelsen af det opløselige protein fibrinogen til uopløseligt fibrin. De uopløselige fibrintråde klistrer sammen og danner et tæt netværk i det beskadigede blodkar, se figur 1. Enzymatisk aktivering Prothrombin Thrombin Røde blodceller Fibrinogen Fibrin (monomer) Fibrin (polymer) Figur 1. Skitse af en del af blodstørkningsprocessen. 1. Giv forslag til, hvad der sker med et enzym, når det aktiveres. Citater fra videnskab.dk, 12. februar 2010 SPØRG VIDENSKABEN: Når nu man kan bruge kødklister til at lappe kødstumper sammen til bøffer, kan man så ikke også bruge stoffet i forbindelse med sårheling hos mennesker?.»det er rigtigt tænkt af læseren,«for faktisk benyttes thrombin allerede i sårklister, der i lægeverdenen kaldes for kirurgisk vævslim eller vævsklæber.»vi bruger det for eksempel, når en patient har kvæstet en lever eller har afskrabninger på en lunge. Så sprøjter vi vævsklæber ind på organets overflade, der bliver forseglet.«2. Giv forslag til, hvorfor thrombin kan anvendes til at sætte mindre kødstykker sammen til større. Inddrag figur 1 og ovenstående citater fra videnskab.dk.
Side 6 af 8 sider EU har besluttet at tillade, at thrombin udvundet af blod fra svin og okse bruges til at sætte mindre kødstykker sammen til større. Et udsnit af den genetiske kode for svinethrombin og oksethrombin er vist i figur 2. Svinethrombin: -AGU - CAA - GCU - AAA - GCG - CUC - UCA - AAG - GAU - CAG - Oksethrombin: -GAA - CAA - GCU - AAA - GCG - CUC - UCA - AAG - CAU - CAG- Figur 2. Udsnit af den genetiske kode for svinethrombin og oksethrombin. 3. Angiv forskellene i primærstrukturen for svine- og oksethrombin ud fra sekvenserne vist i figur 2. 4. Forklar, hvordan det kan undersøges i laboratoriet, om thrombin i kød stammer fra svin eller okse. Der er bekymring over bakterieindholdet i kød, der er sat sammen med thrombin, se nedenstående citater. Citater fra artikel fra dr.dk, 5. februar 2010. Kød med kødklister gemmer masser af bakterier Flere danskere kan komme til at ligge på langs med madforgiftning, hvis stoffet thrombin populært kaldet kødklister bliver tilladt i dansk kød. Men det kan gå ud over fødevaresikkerheden, hvis forbrugerne ikke er opmærksomme på, at det ikke er en rigtig bøf, de lægger på panden hjemme i køkkenet. Og derfor er det vigtigt, at eksempelvis en oksemedaljon sat sammen med thrombin ikke kun bliver stegt, som mange gør: tre minutter på hver side. - Det vil kræve en længere gennemstegning end et helt stykke kød. 5. Forklar, hvorfor kød sammensat med thrombin indeholder flere bakterier end hele stykker kød.
Side 7 af 8 sider Opgave 4. Østrogenfølsom brystkræft Østrogenfølsom brystkræft betyder, at brystkræftceller stimuleres til celledeling, når der er østrogen tilstede. Ved at undersøge celler fra en kræftknude kan det afgøres, om cellerne er østrogenfølsomme. 1. Giv forslag til, hvordan det eksperimentelt kan undersøges, om kræftceller er østrogenfølsomme. Patienter, som har fået bortopereret en østrogenfølsom kræftknude, bliver efter operationen behandlet forebyggende med anti-østrogen, fx tamoxifen. Virkningen af østrogen og antiøstrogen fremgår af figur 1. Østrogen Anti-østrogen Østrogenreceptor Østrogenreceptor Bindes til DNA mrna Proteiner, der fremmer celledelinger Figur 1. Virkning af østrogen og anti-østrogen. 2. Forklar, hvordan anti-østrogen kan hæmme celledelinger. Inddrag figur 1. Brystkræftceller kan udvikle resistens overfor anti-østrogen. Resistente brystkræftceller indeholder store mængder af enzymet PKC. Der er lavet forsøg med genterapi, hvor man indsætter et stykke DNA, der koder for et sirna 1. Dette sirna er komplementært til et udsnit af mrna for PKC, se figur 2. Gen for sirna DNA DNA sirna mrna PKC mrna A. B. Figur 2. A: Anti-østrogenresistent celle, der producerer PKC. B: Celle udsat for genterapi. 3. Forklar, hvordan brug af sirna kan begrænse produktionen af PKC. Inddrag figur 2. 1 sirna: Small interfering RNA.
Side 8 af 8 sider Figur 3 viser resultatet af et vækstforsøg med østrogenfølsomme brystkræftceller. Cellerne blev dyrket i forskellige koncentrationer af tamoxifen. Antallet af celler blev bestemt efter 6 døgn og angivet i forhold til ubehandlede celler. Brystkræftcellerne er inddelt i tre grupper: a. celler som ikke har udviklet resistens overfor anti-østrogen b. celler som har udviklet resistens overfor anti-østrogen c. celler som har udviklet resistens overfor anti-østrogen og er blevet behandlet med sirna. Antal celler (% af ubehandlede celler) 100 80 60 40 20 0 0 1 2 3 4 Tamoxifen (μmol/l) Figur 3. Resultat af vækstforsøg. Celler, der ikke har udviklet resistens overfor anti-østrogen Celler, der har udviklet resistens overfor anti-østrogen Celler, der har udviklet resistens overfor anti-østrogen og er behandlet med sirna 4. Forklar resultaterne vist i figur 3. Genterapi, hvor man indsætter et stykke DNA, der koder for et sirna, er endnu ikke en metode, som kan bruges til patienter med brystkræft. Metoden har et stort potentiale, men inden metoden kan tages i brug, skal nedenstående spørgsmål besvares: a. kan indsættelsen af DNA, der koder for et sirna, resultere i en mutation? b. kan indsættelsen af DNA, der koder for et sirna, resultere i en mutation, som gør, at cellerne udvikles til kræftceller? c. kan DNA-stykkerne, der koder for et sirna, bringes uskadt frem til de syge celler? 5. Vælg et af ovenstående spørgsmål og forklar, hvorfor problemet kan fremkomme ved brug af sirna.
Kilder: Opgave 1. Foto (Figur 1): Pia Bro Christensen, Algeinnovationscenter. Foto (Figur 2): Niels Daugbjerg. N. O. Zhila, G. S. Kalacheva, and T. G. Volova: Effect of Nitrogen Limitation on the Growth and Lipid Composition of the Green Alga Botryococcus braunii. Russian Journal of Plant Physiology 52 (3), (2005), s. 311 319. Opgave 2. Jeffrey L. Levontin et.al.: Rapid loss of genetically based resistance to metals after the cleanup of a Superfund site. PNAS vol. 100, no. 17, (2003), pp. 9889-9891. http://life.bio.sunysb.edu/marinebio/fc.11.evolution.html Opgave 3. Foto: Kent Weakley. Henrik Bendix: Kan kødklister bruges til sår? videnksab.dk 12.02.2012 http://videnskab.dk/sporg-videnskaben/kankodklister-bruges-til-sar. Troels Jensen: Kød med kødklister gemmer masser af bakterier. dr.dk 05.02.2010 http://www.dr.dk/nyheder/indland/2010/02/05/095949.htm Opgave 4. Lisa B. Frankel, Anne E. Lykkesfeldt, Jens B. Hansen og Jan Stenvang: Protein Kinase C is a marker for antiestrogen resistance and is involved in the growth of tamoxifen resistant human breast cancer cells. Breast Cancer Res Treat 104, (2007), s. 165 179. Tegninger: MarkR grafik/hans Marker Alle internetkilder pr. 25.2.13.
541 TRYKSAG 457