Bioteknologi A tudentereksamen Af opgaverne 1 og 2 skal begge opgaver besvares. Af opgaverne 3 og 4 skal en og kun en af opgaverne besvares. frs121-btk/a-24052012 Torsdag den 24. maj 2012 kl. 09.00-14.00 112259.indd 1 04/04/12 08.07
Opgave 1 Gærceller og ølbrygning Øl er et af de ældste bioteknologiske produkter. Ikke desto mindre arbejder man stadig med at fremstille nye øltyper og forbedre de eksisterende. En gymnasieklasse har undersøgt faktorer af betydning for gærcellers aktivitet. I et eksperiment målte de gærcellers vækst i en opløsning med maltose. Figur 1 viser reaktionen, der finder sted, når gær i opløsningen omdanner maltose ved hjælp af enzymet maltase. O O O O O O O O O + 2O 2 O O O O O O Maltose O O α-d-glucose Figur 1. Enzymatisk nedbrydning af maltose. 1. Angiv reaktionstypen for reaktionen vist i figur 1. Eleverne har også undersøgt maltases aktivitet ved 30 C og p 7. De har målt begyndelseshastigheden af enzymreaktionen ved forskellige koncentrationer af maltose. Resultaterne er vist i figur 2. [] (mm) 0,50 1,0 3,0 10 20 40 80 ubstratkoncentration Begyndelseshastighed V 0 (mm/min) 7,0 14 32 71 98 115 125 Figur 2. ammenhørende værdier for substratkoncentration, [], og begyndelseshastighed, V 0, for maltase. 2. Bestem V max og K M for maltase. Anvend eventuelt bilag 1. Ved ølproduktion pasteuriseres øllet ofte, før det sælges. Det betyder, at man kortvarigt opvarmer øllet til over 60 C. Aktiviteten af maltase kan anvendes til at vise, om en øl er blevet pasteuriseret. 3. Giv en mulig forklaring på hvordan aktiviteten af maltase kan anvendes til at vise, om en øl er pasteuriseret. 2 112259.indd 2 04/04/12 08.07
Eleverne udførte også et væksteksperiment med gærceller. Når gærceller vokser i et flydende vækstmedium, bliver mediet mere og mere uigennemsigtigt. Det skyldes, at cellerne spreder lyset. Denne lysspredning kalder man optisk densitet (OD), og den er ligefrem proportional med celletætheden indtil mediet bliver for uigennemsigtigt. Man måler OD som absorbans ved hjælp af et spektrofotometer ved 600 nm. Resultaterne af eksperimentet kan ses i figur 3a og 3b. 35 30 Glucose Ethanol 1 0,9 0,8 Koncentration (g/l) 25 20 15 Absorbans 0,7 0,6 0,5 0,4 10 0,3 5 0,2 0,1 a) 0 0 10 20 30 Tid (timer) b) 0 0 10 20 30 Tid (timer) Figur 3a. Koncentrationen af glucose og ethanol som funktion af tiden. Koncentration er målt i g/l. Figur 3b. Absorbans (OD 600 ) som funktion af tiden. Celletæthed er målt ved at måle absorbansen ved 600 nm med et spektrofotometer. 4. Analysér forsøgsresultaterne vist i figur 3a og 3b. Forskellige faktorer påvirker gærcellernes vækst, for eksempel: a. p i vækstmediet b. Temperaturen i vækstmediet c. Ilt-forholdene i vækstmediet d. Koncentration af ethanol i vækstmediet 5. Vælg to af de nævnte faktorer, og diskutér deres betydning for gærcellernes vækst i forbindelse med ølproduktion. 3 112259.indd 3 04/04/12 08.07
Opgave 2 Chili Chilifrugter indeholder stoffet capsaicin, der giver chilis karakteristiske brændende smag, se figur 1. Data om capsaicin Molarmasse: Opløselighed i vand: 305,41 g/mol 10,3 mg/l ved 25 o C Opløselighed i ethanol og dichlormethan: Mindst 30 g/l Fordelingskoefficient mellem octan-1-ol og vand: [Capsaicin] pk ow = log octan-1-ol = 3,04 [Capsaicin] vand meltepunkt: 65 o C a) b) trukturformel: O O N O Figur 1. a) Chilifrugter. b) Data og strukturformel for capsaicin. 1. Anfør alle carbon- og hydrogenatomer på formlen for capsaicin. Bilag 2 kan benyttes. Capsaicin virker ved at aktivere sanseceller, der registrerer varme. Aktiveringen sker, når capsaicin binder sig til såkaldte TRVP1- receptorer i cellemembranen. Disse receptorer fungerer også som ionkanaler for positive ioner, primært calciumioner. TRVP1-receptor Ca 2+ + + + + + + + + Yderside - - - - Capsaicin - - - - Cellemembran - - - - - - - - Inderside a) b) + + + + + Ca 2+ + + + Figur 2. TRVP1-receptor der aktiveres af capsaicin. 2. Forklar, hvordan bindingen af capsaicin til TRVP1-receptorerne fører til, at der afsendes et nervesignal. Inddrag figur 2. 4 112259.indd 4 04/04/12 08.07
Capsaicin kan anvendes i såkaldte pebersprays 1 og i forskellige naturmedicinske produkter blandt andet til behandling af smerte. Derfor ønsker man at ekstrahere og oprense stoffet fra chilifrugter. For at finde et egnet opløsningsmiddel til ekstraktionen af capsaicin har man lavet et lille forsøg, hvor knuste og findelte friske chillifrugter er ekstraheret med dichlormethan, C2Cl 2. Følgende ligevægt har indstillet sig: Capsaicin (aq) Capsaicin ( dichlormethan) Koncentrationenn af capsaicin i dichlormethanfasen blev bestemt til 0,098 M og koncentrationen af capsaicin i vandfasen blev bestemt til 0,034 mm. 3. Beregn ligevægtskonstanten og redegør for, om dichlormethan er velegnet som ekstraktionsmiddel. Til oprensning af capsaicin anvendes tørrede chilifrugter. De tørredee chilifrugter blendes med ethanol og ekstraktett filtreres for at fjernee cellerester. erefter kan capsaicin oprenses ved hjælp af en kromatografisk metode. I et forsøg anvendte man filtratet fra 30,00 g tørrede chilifrugter. Man opløste filtratet i 10,0 ml dichlormethan. Koncentrationen af capsaicin i opløsningen viste sig at være 0, 210 M. 4. Bestem massen af capsaicin i de 30,,0 g tørrede chilifrugter. Opgaven fortsættes. 1 Peberspray er et håndvåben. Når der sprayes i ansigtet, bliver slimhindernee voldsomt irriterede, og man bliver midlertidig blind. 5 112259.indd 5 04/04/12 08.07
a) b) c) Figur 3. Oprensning af capsaicin fra chilifrugter ved hjælp af søjlekromatografi. De røde prikker repræsenterer capsaicin. De øvrige prikker repræsenterer andre stoffer. a) 30,0 g tørrede chilifrugter, blendes i ethanol og filtreres. b) Filtratet påsættes en søjle. øjlen indeholder et materiale, der binder upolære molekyler. Derefter vaskes med demineraliseret vand. c) Capsaicin elueres (udvaskes) med 10,0 ml dichlormethan. 5. Forklar hvorfor det er muligt at oprense capsaicin ved den benyttede separationsmetode. Inddrag figur 1 og figur 3. 6 112259.indd 6 04/04/12 08.07
Opgave 3 Vacciner mod lymfekræft Non-odgkins Lymphonia (NL) er en kræftsygdom, der angriber kroppens immunsystem. ygdommen får immunforsvarets B-celler til at dele sig ukontrolleret og derved blive til kræftceller. B-cellerne ophobes blandt andet i lymfeknuderne og ophører med at udføre deres normale funktion. På overfladen af B-celler findes karakteristiske proteiner, se figur 1a og 1b. a) a) - - - --- -- --- -- -- - -- b) b) Figur 1. Overfladeproteiner fra B-celler. a) 3D-struktur. b) kematisk struktur. 1. Giv en beskrivelse af sekundær-, tertiær- og kvaternærstrukturen af overfladeproteinet vist på figur 1a og 1b. 2. Forklar, hvordan B-celler normalt fungerer i kroppen, herunder hvilken betydning overfladeproteinerne, vist i figur 1, har. Opgaven fortsættes. 7 112259.indd 7 7 04/04/12 08.07
For at bekæmpe NL forsøger man at udvikle en vaccine, der er skræddersyet til den enkelte kræftpatient. Vaccinen skal blandt andet indeholde overfladeproteinet fra B-cellerne for at virke. Overfladeproteinet til vaccinen fremstiller man ved hjælp af transformerede tobaksplanter. Tobaksplanterne bliver transformeret ved hjælp af bakterien Agrobacterium sp. Bakterien indeholder et gensplejset plasmid, der blandt andet bærer genet for overfladeproteinet. Genet er isoleret fra kræftpatienten. Figur 2 viser, hvordan tobaksplanterne transformeres. kiver skæres ud af blade fra planten Bladskiver placeres i en petriskål sammen med bakterier i 24 timer Tobaksplante kud Bladskiverne flyttes til nyt medium, der kun tillader transformerede planteceller at vokse og danne skud Dyrkningsmedium indeholdende Agrobacterier med gensplejset plasmid GMO Transformeret tobaksplante med gen fra kræftpatient. Figur 2. Transformation af tobaksplante. 3. Foreslå andre gener, som bakteriens plasmid kan indeholde, så det bliver muligt at selektere de transformerede planteceller. Inddrag figur 2. Når vaccinen fremstilles, oprenses overfladeproteinet først fra planten. erefter bindes overfladeproteinet til et transportprotein, som stammer fra en blæksprutte. Det er afgørende, at transportproteinet stammer fra en anden art end mennesket, for at vaccinen virker. Når vaccinen indsprøjtes i kræftpatienten dannes antistoffer, som virker mod B-cellerne. 4. Forklar, hvorfor det er nødvendigt at koble overfladeproteinet til et protein fra en anden organisme end mennesket (her blæksprutter), for at vaccinen virker. 5. Diskutér brug af vacciner mod celler i immunforsvaret. 8 112259.indd 8 04/04/12 08.07
Opgave 4 Alger og bioenergi Alger kan udnyttes til produktion af bioenergi. Bioenergi er energi, der kommer fra forbrændingen af biologisk dannet organiske materialer. Bioenergi i form af bioethanol eller biogas er eksempler på CO 2 -neutrale, bæredygtige energikilder, der delvist forventes at kunne erstatte brugen af fossilt brændstof. Figur 1. Grønalgen Ulva lactuca. Forsøg har vist, at væksten hos algen Ulva lactuca stiger, når man tilførerr meree carbondioxid til vækstmediet. Tilførslen af carbondioxid sker ved at udnytte røggas fra kraftvarmeværker. 1. Redegør for, hvorfor øget tilførsel af carbondioxid til vækstmediet kan øge væksten hos alger. Carbondioxid opløses i vand, og følgende ligevægte indstiller sig: CO 2 O 2 2CO CO (aq) + 2 O (l) O 3 O 3 - (aq) + 2 O (l) (aq) + 2 O (l) 2C O 3 CO O 2-3 ( CO 3 (aq) O 3 - (aq) + 3 O + (aq) (aq) + 3 O + (aq) (1) (2) (3) 2. Opskriv ligevægtsbrøken for reaktion (1). Argumentér for, at når der tilføres carbondioxid vil koncentrationenn af hydrogencarbonat stige. På figur 2 sess Bjerrumdiagrammet for carbonsyresystemet. yrebrøk 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0 2 4 6 8 10 12 14 p Figur 2. Bjerrumdiagram for carbonsyresystemet. Opgaven fortsættes. 9 112259.indd 9 04/04/12 08.07
Vækstforsøg med Ulva lactuca er foregået i udendørs vækstkar med havvand ved p 8,0, se figur 3a. 3. Bestem hvor stor en del af carbonsyren, der findes som hydrogencarbonat i vækstforsøgene ved p 8,0. Benyt eventuelt bilag 3. Den daglige produktion af biomasse 2 hos algerne blev undersøgt ved 5 forskellige tætheder i vækstkarrerne. Tætheden af algerne var henholdsvis 1, 2, 4, 6 og 8 kg alger pr. m 2 i de 5 forskellige vækstkar. Produktionen blev bestemt både som tilvækst i biomasse (g vådvægt/m 2 /dag) og som vækstrate (%/dag) ved 5 forskellige algetætheder. I vækstforsøget var abiotiske forhold som lys ved overfladen, temperatur og næringsindhold ens i de 5 forskellige vækstkar. e figur 3a og 3b. a) 400 20 Tilvækst i biomasse Tilvækst i biomasse (g vådvægt/m 2 /dag) b) 300 200 100 0 1 2 4 6 8 Algetæthed (kg vådvægt/m 2 ) 15 10 5 0 Vækstrate (%/dag) Vækstrate Figur 3a. Vækstkar med Ulva lactuca. Figur 3b. Tilvækst i biomasse (g vådvægt/m 2 /dag) og vækstrate (%/dag) som funktion af algetæthed i vækstforsøg med Ulva lactuca. Prik = vækstrate; øjler = tilvækst i biomasse. 4. Forklar resultaterne af vækstforsøget vist på figur 3b. 2 Biomasse er en fælles betegnelse for alt organiske stof, som dannes ved planternes fotosyntese. 10 112259.indd 10 04/04/12 08.07
Bioenergi kan dannes ud fra majs, sukkerrør, halm, andet planteaffald samt marine alger. Vækstforsøg med grønalgen Ulva lactuca har vist et udbytte, der er 2-5 gange større end for landbaserede planter anvendt til bioenergi. 5. Diskutér udnyttelsen af marine makroalger som en del af fremtidens energiforsyning i forhold til udnyttelsen af landbaserede bioenergikilder. 11 112259.indd 11 04/04/12 08.07
Kilder: Opgave 1: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/yea.1436/pdf Opgave 2: http://www.sciencelab.com/msds.php?msdsid=9923296 og http://www.caymanchem.com/pdfs/10010743.pdf Arpad,. and Blumberg, P. M.: Vanilloid (Capsaicin) Receptors and Mechanisms, Pharmacological Reviews, June 1, 1999, vol. 51 no. 2, s. 159-212, http://pharmrev.aspetjournals.org/content/51/2/159.full Rosenbaum, T and imon,. A.: TRPV1-Receptors and ignal Transduction. In: Liedtke WB, eller (eds.): TRP Ion. Channel Function in ensory Transduction and Cellular ignaling Cascades, kap. 5, Boca Raton (FL): CRC Press; 2007. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk5260/ Foto: Per chriver. Opgave 3: http://www.research.bayer.com/edition-21/21_non_hodgkins_lymphoma.pdfx Opgave 4: http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2010.10.010 Annette Bruhn, et.al. Bioenergy potential of Ulva lactuca: Biomass yield, methane production and combustion. Bioresource Technology 102 (2011) 2595-2604. Foto: Peter Bondo Christensen, DMU og Michael Bo Rasmussen, AU. Tegninger: MarkR grafik/ ans Marker Alle internet kilder pr. 9. januar 2012 112259.indd 12 04/04/12 08.07
112259.indd 13 04/04/12 08.07
112259.indd 14 04/04/12 08.07
112259.indd 15 04/04/12 08.07
112259.indd 16 04/04/12 08.07
tudentereksamen 2012 Bioteknologi A 24. maj 2012 Bilag 1 Ark nr. af i alt ark. Navn: Klasse: kole: [] (mm) 0,50 1,0 3,0 10 20 40 80 ubstratkoncentration Begyndelseshastighed V 0 (mm/min) 7,0 14 32 71 98 115 125 a) ammenhørende værdier for substratkoncentration, [], og begyndelseshastighed, V 0, for maltase. 140 120 100 V 0 (mm/min) 80 60 40 20 0 0 10 20 30 40 [] (mm) 50 60 70 80 90 b) Tomt ark der eventuelt kan anvendes til bestemmelse af V max og K M for maltase. 112259.indd 17 04/04/12 08.07
112259.indd 18 04/04/12 08.07
tudentereksamen 2012 Bioteknologi A 24. maj 2012 Bilag 2 Ark nr. af i alt ark. Navn: Klasse: kole: O O N O trukturformel for capsaicin. 112259.indd 19 04/04/12 08.07
112259.indd 20 04/04/12 08.07
tudentereksamen 2012 Bioteknologi A 24. maj 2012 Bilag 3 Ark nr. af i alt ark. Navn: Klasse: kole: yrebrøk 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0 2 4 6 8 10 12 14 p Bjerrumdiagram for carbonsyresystemet. 112259.indd 21 04/04/12 08.07