STUDETEREKSAME 2006 2006-BT-2 BIOTEKOLOGI HØJT IVEAU Onsdag den 16. august 2006 kl. 9.00 14.00 Sættet består af 1 stor og 2 små opgaver. Alle hjælpemidler tilladt.
STOR OPGAVE 1. Myoglobin A. Den røde farve i kød skyldes myoglobin, som er et globulært protein. Myoglobin indeholder ligesom hæmoglobin en organisk gruppe (hæm) med en tilknyttet jern(ii)-ion, der kan binde oxygen. Opbygningen af myoglobin kan variere lidt fra dyreart til dyreart. I tabel 1 ses resultaterne fra en undersøgelse af hvilke aminosyrer, der forekommer i myoglobin fra tamkvæg og almindelig svin. aminosyre aminosyre egenskab Antal aminosyrer (tamkvæg) Antal aminosyrer (alm. svin) Trp upolær 3 2 Val upolær 9 8 Pro upolær 3 4 Met upolær 4 3 Leu upolær 17 18 Ile upolær 6 6 Phe upolær 7 7 Ala upolær 18 14 Glu negativt ladet 13 14 Asp negativt ladet 8 8 Tyr polær 2 2 Thr polær 5 5 Ser polær 6 7 Gln polær 4 7 Asn polær 4 3 Gly polær 12 15 Arg positivt ladet 2 2 Lys positivt ladet 18 19 His positivt ladet 13 9 Sum 154 153 Tabel 1. Aminosyrer i myoglobin fra henholdsvis tamkvæg og almindelig svin. Figur 1. Myoglobin fra svin. Figur 2. Myoglobin. Basiske aminosyrer er blå. Sure aminosyrer er røde. eutrale, men polære aminosyrer er grønne. Hydrofobe aminosyrer er grå. Figur 3. Gennemskåret myoglobin. På billedet er ca. 50 % af myoglobin-molekylet klippet væk fra det tredimensionale billede, så vi kan kigge ind i molekylets indre. a) Begrund ud fra strukturerne, at leucins og threonins sidekæde er henholdsvis upolær og polær. 2
b) Benyt tabel 1 samt figurerne 1, 2 og 3 til at gøre rede for myoglobinmolekylets struktur. Myoglobin i en indkøbt pakke hakket oksekød blev ekstraheret med vand. Ekstraktet og kendte, oprensede myoglobinprøver samt en standard blev behandlet med SDS. SDS denaturerer proteiner, så de kan adskilles efter molekylstørrelse ved elektroforese. g M / mol tamkvæg alm. svin 17206,7 16954,4 Tabel 2. Molare masser for de to typer myoglobin. Figur 4. Elektroforese gel. 1: hakket kød 2: myoglobin (ren prøve, alm. svin) 3: myoglobin (ren prøve, tamkvæg) kg 4: standard (14, 15, 16, 17, 18 og 19 ) mol c) Analyser resultaterne fra elektroforesen vist i figur 4 (inddrag tabel 2). Oxygenbindingskurver 100 90 80 myoglobin % oxygenbinding 70 60 50 40 30 20 10 hæmoglobin 0 0 5 10 oxygentryk / kpa Figur 5. Oxygenbindingskurve for myoglobin og hæmoglobin. Andenaksen angiver, hvor mange procent af myoglobin henholdsvis hæmoglobin, der binder oxygen ved et givet partialtryk af oxygen. d) Benyt figur 5 til at aflæse oxygenbindingen for henholdsvis myoglobin og hæmoglobin ved følgende to oxygentryk: 5,3 kpa (oxygentryk i veneblod i hvile) og 2,6 kpa (oxygentryk i veneblod under arbejde). Inddrag resultaterne i en forklaring af hvilken betydning forskellen mellem myoglobins og hæmoglobins oxygenbindingskurver har. 3
B. Blodets oxygenbærende hæmoglobin indeholder Fe 2+. Imidlertid kan Fe 2+ i hæmoglobinet let oxideres til Fe 3+. Hæmoglobin med Fe 3+ kaldes methæmoglobin. Methæmoglobin kan ikke optage og transportere oxygen. Raske mennesker har enzymet diaphorase, der katalyserer reaktionen vist i figur 6. Oxyhæmoglobin har en postkasserød farve, medens methæmoglobin og hæmoglobin har en mørk, blårød farve. o 2 hæmoglobin oxyhæmoglobin Hb (Fe 2+ ) Hb (Fe 2+ ) O 2 diaphorase methæmoglobin Hb (Fe 3+ ) Figur 6. Omdannelsen af methæmoglobin i blodet. I en isoleret egn af Kentucky med en høj grad af fætter-kusine ægteskaber fandt man en familie med et ejendommeligt sygdomstræk, som skyldes egenskaben blå fugat. Familien stammer fra en fransk indvandrer, Martin Fugate, og deres hud har et blåligt skær. Derudover har patienterne svært ved at udføre hårdt fysisk arbejde. Figur 7. Forekomst af egenskaben blå fugat i en familie. II-3 og II-4 er tvillinger. a) Giv forslag til, hvorledes egenskaben blå fugat kan være opstået. b) Analyser figur 7, og gør rede for, hvorledes egenskaben blå fugat nedarves. 4
Lægen Madison Cawein forsøgte at behandle sygdommen ved hjælp af tabletter med methylenblåt. Methylenblåt deltager i elektronoverførsler. Fx reagerer det villigt med pyridin nucleotider i patienten, hvorved det straks bliver reduceret til farveløst leucomethylenblåt. pyridin nukleotid H H H 3 C S + methylenblåt pyridin nukleotid + H 3 C S leucomethylenblåt Figur 8. Methylenblåt reagerer med pyridin nukleotid-h og omdannes til det ufarvede leucomethylenblåt. år patienterne fik methylenblåt på tabletform, steg koncentrationen af leucomethylenblåt straks i blodet. Efterhånden forsvandt leucomethylenblåt, idet det blev omdannet til methylenblåt, der forlod kroppen via nyrerne (urinen blev blå). Patienternes blå hudfarve forsvandt, og de fik lettere ved at arbejde. Ved undersøgelse fandt man, at patienter under behandling med methylenblåt havde normale lave koncentrationer af methæmoglobin i blodet. c) Forklar hvorfor methylenblåt kan benyttes til behandling af patienter med egenskaben blå fugat. Inddrag figur 8 i svaret. 5
SMÅ OPGAVER 2. Eddikesyre Eddikesyre produceres både syntetisk og ved bakteriel fermentering (gæring). Den bioteknologiske produktion udgør kun omkring 10 % af den globale produktion, men er vigtig for fremstilling af eddike, da det i mange lande kræves, at eddike til fødevarebrug skal have biologisk oprindelse. Eddikesyre (ethansyre) fremstilles ved hjælp af bakterier af arten Acetobacter aceti. Under bestemte laboratorieforhold danner disse bakterier ethansyre ud fra ethanol. Fermenteringen foregår i en tank. a) Skriv et afstemt reaktionsskema for reaktionen, hvor bakterierne omdanner ethanol til ethansyre. b) Gør rede for under hvilke laboratoriebetingelser fermenteringen vil være optimal med henblik på størst mulig biologisk produktion af ethansyre. Efter tre dages fermentering i tanken udtages en prøve på 10,0 ml. Der titreres med 0,105 M aoh(aq). Man opnår titrerkurven i figur 1. ph 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 5 10 15 20 volumen aoh(aq) / ml Figur 1. Titrerkurve. 10,0 ml fermenteringsblanding titreret med 0,105 M aoh(aq). c) Beregn indholdet af ethansyre i fermenteringsblandingen (i g ethansyre pr. L). 6
3. Holdbare potteroser Plantehormonet ethen dannes under blomsterudvikling og fremskynder visning af blomster. Forskellige sorter af potteroser har forskellig holdbarhed, hvilket dels kan skyldes forskelle i deres egen ethenproduktion og dels forskellig følsomhed over for ethen i omgivelserne. Rosensorten Bronze har dårlig holdbarhed, hvorimod Vanilla har god holdbarhed, også selv om der er ethen i omgivelserne. Charming har god holdbarhed i et ethenfrit miljø. Figur 1. Ethenproduktion under blomsterudvikling i blomster af rosensorterne Bronze, Vanilla og Charming. Blomsterudvikling fra knop (1) til vissen (6). a) Forklar sammenhængen mellem ethenproduktion og holdbarhed. Inddrag resultaterne vist i figur 1 i svaret. 7
Figur 2 viser en skematisk oversigt over ethens virkning på celleniveau. Figur 2. Ethens virkning på celleniveau. Potterosers følsomhed for ethen i omgivelserne kan nedsættes betydeligt ved at opbevare roserne i en atmosfære, der indeholder lidt af produktet smartfresh, som er handelsnavn for molekylet vist i figur 3. Figur 3. Smartfresh. b) avngiv molekylet i figur 3. Giv på baggrund af molekylets struktur et forslag til at smartfresh kan forlænge holdbarheden af roser. c) Giv ud fra figur 2 et begrundet forslag til, hvordan man ved hjælp af genteknologi kan forbedre holdbarheden af potteroser. 8
Kilder Opgave 1 Tabel 1: Materiale hentet fra Swiss-Prot database Figur 1-3: Efter pdb-fil fra http://molbio.info.nih.gov/ Opgave 3 aturens Verden, 3, 2004, 22-29 9