STUDENTEREKSAMEN MAJ 24 24-6-1 BIOLOGI HØJT NIVEAU Tirsdag den 18. maj 24 kl. 9.-14. 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. SARS A. Sygdommen SARS (Severe Acute Respiratory Syndrome) skyldes en infektion i luftvejene hos mennesker med et indtil for nylig ukendt virus af corona-typen. Smitte overføres ved dråber eller direkte berøring. SARS-virus er et RNA-virus med enkeltstrenget RNA bestående af ca. 3. nukleotider. Virusgenomet er blevet kortlagt, og man har påvist de proteiner, det koder for, se figur 1. Figur 2 viser den særlige livscyklus, der kendetegner bl.a. corona-virus. SARS-genom Gen for R-protein 1. 2. 3. nukleotider Gen for S-glykoprotein Gen for E-protein Gen for M-protein Gen for N-protein Translation Virus RNA Figur 1. RNA-genomet med generne for SARS-virus proteinerne. R-proteinet har betydning for bl.a. replikation af virusgenomet og dets indkapsling. S-glykoproteinet har betydning for bindingen til værtscellens overflade. E og M er membranproteiner, mens N er det protein, der omslutter arvematerialet. Virus RNA Virusreceptor Golgiapparat Transport Replikation ER Kerne Cytoplasma Figur 2. Livscyklus for corona-virus. a. Angiv en metode til at adskille proteiner, som fx de der indgår i SARS-virus. b. Gør rede for SARS-virus livscyklus i en celle. Inddrag figur 1 og 2. c. Hvilken betydning kan eventuelle ændringer i genet for S-glykoprotein få for SARS-virus evne til at inficere nye celler? 2
B. Man arbejder på udvikling af forskellige typer vaccine mod SARS. En vaccinationsform består i indsprøjtning af SARS-virus tømt for arvemateriale. Se figur 3. En anden vaccinationsform består af DNA-vaccine, som indtages gennem munden. Her benyttes et almindeligt forkølelsesvirus (adeno-virus) til at indsætte genet for S-glykoprotein i modtagerens slimhindeceller. Adeno-virus arvemateriale er DNA, og genet for S-glykoproteinet er her på DNA form. Genet for S-glykoproteinet indsættes i virus DNA Figur 3. Tomt SARS-virus. Figur 4. Adeno-virus til overførsel af gen for S-glykoprotein. a. Beskriv en metode til at påvise om en person er smittet med SARS-virus. b. Forklar hvordan de to typer vaccine kan forbygge SARS, herunder hvilke typer antistoffer, der dannes ved vaccinationerne. c. Giv eksempler på sikkerhedsmæssige undersøgelser, der bør foretages, inden de nye vacciner kan tages i brug. 3
2. Arresø A. Arresø er Danmarks største sø med et areal på knap 4 km 2. Søen er vindåben og lavvandet med en gennemsnitsdybde på 3,1 meter (max 5,9 m). Arresø har tilløb af flere åer og et enkelt afløb til Roskilde Fjord. Vandudskiftningen i søen er langsom, og mange års tilførsel af kvælstof- og fosforbindelser har medført en meget høj algebiomasse i Arresø. Algebiomassens udvikling de første ti måneder af 22 er vist på figur 1. Tilførslen af kvælstof og især fosfor er nedbragt væsentlig gennem de sidste 15 år. Alligevel kan man stadig måle temmelig høje koncentrationer af begge stoffer i Arresøs vand. Koncentrationen af kvælstof er vist i figur 2. Forholdet mellem uorganisk kvælstof og uorganisk fosfor er vist i figur 3. Planteplanktonbiomasse (mg vådvægt/l) 16 14 Blågrønalger Kiselalger Grønalger Andre alger 12 1 8 6 4 2 jan. feb. mar. apr. maj juni juli aug. sep. okt. Figur 1. Udvikling i og sammensætning af planteplanktonbiomassen i 22. mg/l 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1.5 Total kvælstof Nitrit-nitrat kvælstof Ammonium-ammoniak kvælstof j f m a m j j a s o n d Figur 2. Årstidsvariation i kvælstofkoncentrationerne i Arresø. Værdierne angiver den gennemsnitlige koncentration af kvælstof i hele Arresø i 22. N : P (uorganisk) 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 N-begrænsning j f m a m j j a s o n d Figur 3. Årstidsvariationen i N:P-forholdet i Arresø i 22. a. Redegør for hvordan biomassen af planteplanktonet i Arresø kan bestemmes. b. Analyser figur 2 og forklar årstidsvariationen i kvælstofkoncentrationerne. c. Forklar med inddragelse af figur 1 og figur 3, hvorfor opblomstringer af blågrønalger er særlig udbredte i Arresø fra juni til oktober. 4
B. I bestræbelserne på at restaurere Arresø har man etableret bedre rensningsanlæg. Desuden har man, for at tilbageholde bl.a. fosfor, oprettet nogle kunstige lavvandede søer før åernes indløb i Arresø. En af disse søer er Solbjerg Engsø fra 1994. Tilbageholdelsen af fosfor er fulgt i Solbjerg Engsø. Resultaterne er vist i figur 4, som også viser udviklingen i sommerkoncentrationen af total-fosfor i Arresø i den samme periode. Et nyt forslag til restaurering af Arresø er vist i figur 5. a Tilbageholdt P (kg total-p) 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2 b Gennemsnitlig P-koncentration (mg total-p/l) 1.2 1.8.6.4.2 93 94 95 96 97 98 99 Figur 4. Udviklingen i fosfortilbageholdelse i Solbjerg Engsø (a) og udviklingen i den gennemsnitlige sommerkoncentration (total-p) i Arresø siden 1992 (b). 1 2 3 Sø Slam Vand Slam Bundslam bestående af 95% vand og 5% slam graves op fra søbunden Vand Vandet spredes på jorden Slammet bruges som gødning i piletræsplantage Drikkevandsboring Piletræet bruges til brændsel i bio-varmeværk 4 Aske Figur 5. A Grundvand B Grundvand a. Forklar hvordan fosfor kan tilbageholdes i Solbjerg Engsø. b. Forklar med inddragelse af figur 4 udviklingen i fosfortilbageholdelsen i Solbjerg Engsø og udviklingen i den gennemsnitlige sommerkoncentrationen af fosfor i Arresø. c. Vurder fordele og ulemper ved det i figur 5 viste nye forslag til restaurering af Arresø. 5
SMÅ OPGAVER 3. Galaktosæmi Mælkesukker (laktose) omdannes normalt gennem en række mellemprodukter til glukose-1-fosfat. Nogle trin i denne omdannelse er vist i figur 1. Hos nogle mennesker er en arvelig fejl årsag til, at et af de nødvendige enzymer i omdannelsen mangler. Det medfører ophobning af galaktose-1-fosfat i celler og væv, hvilket fører til hjerne- og andre organskader, galaktosæmi. Arvegangen for denne enzymdefekt er vist for en familie i figur 2. CH 2 CH 2 CH 2 O ATP ADP O O Enzym 1 O~ P Enzym 2 O~ P Galaktose Galaktose -1- fosfat Glukose -1- fosfat Figur 1. Omdannelsen af galaktose til glukose-1-fosfat i en celle. I 1 2 Rask mand Rask kvinde Syg mand II 1 2 3 4 5 6 Syg kvinde III 1 2 3 4 5 6 IV 1 2 3 4 5 Figur 2. Nedarvningsskema for galaktosæmi. a. Hvilke enzymtyper indgår i reaktionerne vist i figur 1? b. Analyser og forklar arvegangen vist i figur 2, og angiv genotyperne for III-2 og IV-2. c. Hvilke forholdsregler kan man tage for at undgå følger af denne arvelige sygdom? 6
4. Tetrodotoxin Den japanske kuglefisk indeholder giftstoffet tetrodotoxin. Kuglefisken er en yndet spise i bl.a. Japan. Tilberedt korrekt giver spisen en behagelig prikkende fornemmelse og en let rus. Imidlertid er den af og til årsag til dødsfald. LD 5 hos mus er bestemt til,1 µg tetrodotoxin/kg. Tetrodotoxin virker ved at blokere de spændingsregulerede Na + -porte i neuroner. Figur 1 viser et normalt aktionspotentiale i et neuron. Membranpotentiale (mv) +3 Aktionspotentiale Hvilepotentiale 7 Kuglefisk Figur 1. 1 2 3 4 Tid (ms) a. Hvorledes opretholdes hvilepotentialet normalt i et neuron? b. Forklar med udgangspunkt i figur 1 tetrodotoxins virkning på det normale aktionspotentiale. c. Beskriv en metode til bestemmelse af LD 5 for tetrodotoxin, og diskuter hvordan resultatet heraf kan anvendes. 7
5. Stofskifte hos bænkebidere En gruppe gymnasieelever har målt CO 2 -udskillelsen hos bænkebidere ved to temperaturer. Resultaterne af forsøgene er vist i f igur 1. 8 7 CO 2 -udskillelse (µl/l) 19 C 6 5 4 17 mm 3 2 13 C 1 Minutter 1 2 3 4 5 Figur 1. CO 2 -udskillelse hos bænkebidere (µl/l). a. Hvad er bænkebidernes CO 2 -udskillelse et mål for? b. Forklar hvordan bænkebidernes CO 2 -udskillelse kan måles. Skitser forsøgsopstillingen. c. Analyser og forklar resultaterne i figur 1. 8
6. Biokonservering Bakterien Listeria monocytogenes trives i fødevarer som røget fisk og ost. Den er fakultativt anaerob og kan tåle lave temperaturer og høje saltkoncentrationer. Listeria-infektioner kan være meget alvorlige og medføre døden. For at begrænse infektionsrisikoen fra fødevarer forskes der i nye konserveringsmetoder. En af metoderne udnytter mælkesyrebakteriers evne til at bekæmpe listeria i fødevarer, se figur 1. Mælkesyrebakterier udskiller specielle peptider, der sætter sig på listeriabakteriernes cellemembran, hvor de laver huller. Resultat + 48 timer Figur 1. Vækstagar med spredte kolonier af forskellige mælkesyrebakterier Topagar med Listeria monocytogenes hældes over a. Hvad er peptider, og hvordan syntetiseres de i bakterieceller? b. Forklar princippet i metoden vist i figur 1 og analyser resultaterne. c. Hvilke yderligere undersøgelser bør man foretage, inden der gives tilladelse til en udbredt anvendelse af denne form for biokonservering? 9
7. Aflatoxin Aflatoxiner er de stærkeste, naturlige kræftfremkaldende stoffer. De dannes af en mugsvamp, som vokser på bl.a. tørrede figner, jordnødder og majs, se figur 1. Aflatoxiner fremkalder leverkræft hos forsøgsdyr som mus, rotter, fisk, ænder og aber. Ved indtagelse omdannes aflatoxin af enzymerne i levercellerne og binder sig efterfølgende til DNA. Det omdannede aflatoxin ændrer ofte genet for et af cellens DNA-reparationsenzymer, se figur 2. Figur 1. Mug på majs. aflatoxin leverenzym omdannet aflatoxin... CGT CAT TCT TAA...... GCA GTA AGA ATT... c. Angiv en metode til vurdering af om et stof som fx aflatoxin er kræftfremkaldende. DNAreparations enzym... CGT CAT GCT TAA...... GCA GTA CGA ATT...? LEVERCELLE KERNE Figur 2. Aflatoxins indvirkning på leverceller. a. Hvilke følger for DNA-reparationsenzymet får ændringen af genet vist i figur 2? b. Forklar hvorfor ændringer i et DNA-reparationsenzym kan føre til udvikling af en kræftcelle. 1
Kilder: Opgave 1: Bionyt 21, maj 23. Lodish et al.: Molecular Cell Biology 21. Opgave 2: Arresø tilstand og udvikling, Frederiksborg Amt 22. Opgave 5: Naturens Verden, Føtek særnummer 22. Opgave 7: www.p53.curie.fr og www.biosite.dk 11