STUDENTEREKSAMEN MAJ 2007 2007-6-1 BIOLOGI HØJT NIVEAU Torsdag den 31. maj 2007 kl. 9.00-14.00 Af de store opgaver 1 og 2 må kun den ene besvares. Af de små opgaver 3, 4, 5, 6 og 7 må kun to besvares.
STORE OPGAVER 1. Planter og fosfor A. Planter har brug for fosfor. Der er en stor pulje af fosfor i landbrugsjord, men kun en begrænset del er tilgængelig for planterne. For at dække de dyrkede afgrøders behov tilføres hvert år handels- eller husdyrgødning, som indeholder fosfor. Planterne optager en del af dette som fosfat, men der sker også en betydelig udvaskning. Planter, der er udsat for fosfatmangel, får ændret vækst, se figur 1. 0,6 Rod/top forhold 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Figur 1. Planter dyrket ved høj og lav fosfatkoncentration. Søjlerne viser forholdet mellem vægten af rod og top. a. Giv eksempler på, hvad fosfatmangel kan betyde for planters vækst og stofskifte. b. Forklar, hvorfor kun en begrænset del af jordens fosforpulje er tilgængelig for planterne. c. Analyser figur 1, og forklar de viste resultater. 2
B. I Vandmiljøplan III satser man bl.a. på at nedbringe udvaskning af fosfat fra dansk landbrug. Man har undersøgt, om afgrøderne kan udnytte fosforreserverne i jorden bedre. I undersøgelserne anvendtes planten gåsemad (Arabidopsis thaliana), som antages at omsætte fosfat på samme måde, som dyrkede afgrøder. Undersøgelserne viste, at gåsemad ved fosfatmangel kan aktivere gener, som normalt ikke udtrykkes, se figur 2. Et af disse gener koder for et transportprotein, som transporterer fosfat ind i rodhårene. Et andet koder for en fosfatase, som udskilles af plantens rødder. Resultater fra en undersøgelse af gen-aktiveringen er vist i figur 3. Figur 2. Virkning af lav fosfatkoncentration på aktivering af to gener i gåsemad. mg fosfor pr. g fosfatmangel fosfattilførsel fosfatmangel fosfattilførsel Figur 3. Måling af gen-aktivitet ved fosfatmangel i gåsemad. Planterne er dyrket ved lav fosfatkoncentration og har derpå fået tilført fosfat. Indholdet af fosfat i planten samt gen-aktiviteten er målt før tilførslen (fosfatmangel) samt 1 / 2, 1 og 4 timer efter fosfattilførslen. Aktiviteten af de to gener ses som bånd af vekslende styrke. A: Fosforindhold i rødder og blade. B: Gen-aktivitet af fosfatase-genet i rødder og blade. C: Gen-aktivitet af transportprotein-genet i rødder og blade. a. Beskriv ud fra figur 2 betydningen af lav fosfatase-koncentration for gåsemad. b. Analyser figur 3, og forklar resultaterne. c. Diskuter, hvordan undersøgelser som disse kan udnyttes i bestræbelserne på at nedbringe fosfatudvaskningen fra landbruget. 3
2. Arvelig immundefekt A. En arvelig immundefekt hos mennesket skyldes mangel på enzymet ADA, adenosin-deaminase. Der findes tre alleler, som hver koder for en variant af ADA-enzymet, se figur 1. Man har bestemt aminosyresekvensen i disse enzymer. Analysen af enzymerne viste, at ADA 1 og ADA 2 kun adskiller sig ved en enkelt aminosyre, idet alanin er erstattet af valin. A 1 - og A 2 -allerne koder for enzymer med normal enzymaktivitet, mens A 0 koder for et ikke-fungerende enzym. Figur 2 viser et stamtræ over en familie, hvor alle tre alleler og også sygdommen forekommer. De enkelte personers relative enzymaktivitet er angivet i symbolerne. En relativ enzymaktivitet på 30 og derover anses for normal, da den giver et normalt fungerende immunforsvar. Enzymaktiviteten for I-2 er aldrig blevet bestemt. I A 1 A 2 40? 1 2 Allel Enzymvariant A 1 ADA 1 A 2 ADA 2 A 0 ADA 0 Figur 1. II III A 1 A 0 A 2 A 0 28 1 A 2 A 0 A 1 A 2 A 1 A 1 A 1 A 1 A 1 A 2 18 12 38 36 38 38 2 3 4 5 6 7 A 2 A 0 A 1 A 2 A 1 A 0 A 1 A 1 A 1 A 1 21 46 29 0 51 38 1 2 3 4 5 6 Figur 2. Stamtræ over en familie, hvor ADA-mangel forekommer. Mand Kvinde a. Hvilken mutation kan føre til den nævnte ændring i aminosyresekvensen? b. Giv en mulig forklaring på, at enzymvarianterne ADA 1 og ADA 2 kan have samme aktivitet trods forskellen i aminosyresammensætning. c. Analyser figur 2. Angiv genotypen for I-2 og III-4, og forklar forskellen i enzymaktivitet hos personerne II-2 og II-5. 4
B. ADA, adenosin-deaminase er nødvendig for nedbrydning af puriner i cellerne. Hvis ADA er inaktivt, ophobes purinerne i cellerne. Puriner er giftige i høje koncentrationer, bl.a. fordi de hæmmer enzymet ribonukleotid-reduktase, se figur 3. Dette skader især celler i deling, der syntetiserer DNA. Personer med ADA-mangel rammes ofte hårdt af infektioner, der normalt ville være harmløse. Som behandling har man forsøgt: Injektion med ADA. Injektion med IgG. Knoglemarvstransplantation. P P CH 2 O Base R OH OH puriner B-lymfocyt S E antistoffer T O H ribonukleotid-reduktase M I OH P P CH 2 O Base T-lymfocyt T O R S E M I OH H Hæmning Figur 3. Syntese af DNA-nukleotider. Figur 4. Deling og differentiering af B- og T- lymfocytter. a. Beskriv processen vist i figur 3, og forklar, hvorfor ADA-mangel kan medføre, at DNA-dannelsen hæmmes. b. Forklar, hvorfor personer med ADA-mangel ofte rammes hårdt af infektioner. Inddrag figur 3 og figur 4. c. Vurder fordele og ulemper ved de tre nævnte behandlingsformer. 5
SMÅ OPGAVER 3. Dioxiner i sild Dioxiner er en gruppe af svært nedbrydelige klorholdige stoffer, som dannes i små mængder ved forbrænding. Dioxiner spredes overalt i miljøet. De opkoncentreres gennem fødekæden og findes især i fede animalske produkter, herunder fede fisk. Dioxiner er kræftfremkaldende og fosterskadende, og de påvirker immunsystemet, hormonbalancen og nervesystemet. Man har fastsat en grænseværdi for menneskers indtagelse af dioxiner på 35 pg pr. kg legemsvægt om ugen (tolerabel ugentlig indtagelse). Der er indført forbud mod at fiske og forhandle sild fra den østlige del af Østersøen, da disse jævnligt overskrider den fastsatte grænseværdi for sild på 4 pg pr. g vådvægt, se figur 1. Prøve 1 Prøve 2 Prøve 3 4,9 pg/g vådvægt 7,3 pg/g vådvægt 7,4 pg/g vådvægt Figur 1. Indholdet af dioxiner i vævsprøver fra sild i den østlige Østersø (marts 2004). 1 pg = 10-12 g a. Forklar, hvorfor dioxiner opkoncentreres gennem fødekæden. b. Hvor mange g sild fra den østlige Østersø ville et barn på 20 kg kunne indtage om ugen uden at overskride grænseværdien? c. Vurder det hensigtsmæssige i det indførte forbud mod at fiske og forhandle sild fra den østlige Østersø. 6
4. Fæochromocytom Personer med en sjælden form for kræft (fæochromocytom) i binyrerne har en forøget hormonproduktion. Symptomerne hos personer med fæochromocytom er bl.a. meget højt blodtryk, hurtig puls og højt stofskifte. De sveder meget og føler sig varme. Anfald med bevidstløshed forekommer ofte hos personer, hvor svulsten har nået en vis størrelse. Man behandler de ramte personer ved at fjerne binyren. Forud for operationen er det nødvendigt at give medicin, der modvirker hormonets virkning. I enkelte tilfælde skyldes fæochromocytom en nedarvet mutation. Nedarvningen af denne er vist i figur 2. I 1 2 II 1 2 3 4 5 Syg mand Syg kvinde III 1 2 Rask mand Rask kvinde IV 1 2 3 4 Figur 1. Hormonet virker ved at binde sig til receptorer i målcellernes cellemembran. Figur 2. Stamtræ for en familie, hvor sygdommen fæochromocytom forekommer. a. Hvilket binyrehormon kan være årsag til de beskrevne symptomer? Begrund svaret. b. Giv forslag til, hvordan man medicinsk kan modvirke hormonets virkning. Inddrag figur 1 i besvarelsen. c. Analyser figur 2, og angiv den sandsynlige arvegang. 7
5. Overvintrende skildpadder Sumpskildpadden rødøret terrapin (Trachemys scripta) overvintrer ved at grave sig ned i iltfrit mudder i isdækkede vandhuller. Skildpadden har tilpasset sig de anaerobe forhold ved at nedsætte Proteinsynteseaktiviteten med 90%. Cellemembranens ionpumpeaktivitet med 75%. Muskel- og hjerteaktivitet. Hjernens og nervesystemets elektriske aktivitet. Laboratorieforsøg har vist, at sumpskildpadder under anaerobe forhold kan overleve ca. 12 timer ved 20 C og mindst 90 dage ved 3 C. CO 2 + H 2 O Na + K + O 2 Na + /K + pumpe mitokondrie Na + K + A glukose + ADP + P ATP ADP + P + energi B laktat (mælkesyre) aminosyre aminosyre aminosyre protein muskelarbejde Figur 1. Oversigt over forskellige livsprocesser i en dyrecelle. a. Forklar, hvordan en skildpaddes celler skaffer sig energi under henholdsvis aerobe og anaerobe forhold. b. Inddrag figur 1 i en redegørelse for, hvordan de nævnte tilpasninger kan øge skildpaddens overlevelse under anaerobe forhold. c. Giv mulige forklaringer på den stærkt forøgede overlevelse ved 3 C i forhold til ved 20 C. 8
6. Restriktionsanalyse af plasmider En gymnasieklasse har analyseret plasmider ved hjælp af restriktionsenzymer og elektroforese. Klassen fik udleveret to forskellige plasmider, pbr 322 og pc 508, som begge skulle klippes med EcoR I og Hind III. Figur 1 viser de to plasmider med angivelse af klippestederne for EcoR I og Hind III. Desuden vises klippestederne for enzymet Pst I. I figur 2 ses resultatet af restriktionsanalysen. Figur 1. De anvendte plasmider med angivelse af restriktionsenzymernes klippesteder. 100 Antal basepar 1000 10000 DNA-stige pbr 322 - Hind III pc 508 - Hind III pbr 322 - EcoR I pc 508 - EcoR I DNA-stige Figur 2. Resultatet af restriktionsanalysen. DNA-stigen angiver vandringen af DNA-stykker med 8000, 7000, 6000, 5000, 4000, 3000, 2000, 1000, 500 og 250 basepar. a. Hvordan virker restriktionsenzymer? b. Analyser og forklar resultaterne vist i figur 2. c. Hvilke DNA-stykker ville dannes, hvis man havde klippet med Pst I? 9
7. Primærproduktion hos brændenælde En brændenælde blev placeret i et lukket forsøgskammer. I et forsøg måltes CO 2 -koncentrationen gennem to timer. Forsøget foregik først en time i mørke efterfulgt af en time i lys. Resultatet af målingerne ses i figur 1. 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Figur 1. a. Hvad forstås ved bruttoprimærproduktion (BPP) og nettoprimærproduktion (NPP)? b. Analyser og forklar forsøgsresultatet vist i figur 1. c. Skitser det forventede resultat af forsøget, hvis forsøget gennemføres ved lavere lysintensitet. Begrund svaret. 10
Kilder: Opgave 1: Naturens Verden 5, 2005. Fotos: Renate Müller, Tom Hamborg Nielsen, KVL. Opgave 2: www.people.virginia.edu/rjh9u/ribreductase.html Opgave 3: http://www.foedevarestyrelsen.dk Opgave 5: Aktuel Naturvidenskab 3, 2004. Foto: Jørgen Dahlgaard, Aktuel Naturvidenskab.
Undervisningsministeriet