Tentamen med svarsmallar Biokemi KE7001p3, 22:e mars 2005, 09 ...

Tentamen med svarsmallar Biokemi KE7001p3, 22:e mars 2005, 09 00 - 15 00 .Max poäng = 70 p. Preliminär gräns för godkänd = 37 p (53 %).1. a) Vad är avståndet mellan två kovalent bundna kolatomer? (0.5p)b) Vilka atomslag kan fungera som acceptor eller donor i vätebindningar ibiologiska system? (0.5p)c) Hur långt är det typiskt mellan donor och acceptor i en vätebindning? (0.5p)d) Ange ett typiskt intervall för avståndet mellan två kolatomer i van derWaalskontakt. (0.5p)e) I ett protein upptäcker du en vätebindning mellan sidokedjan hos en glutaminsyra(Glu) och syret i en asparaginsidokedja. Vilken laddning har då Glu-sidokedjan?Rita en förklarande skiss! (1p)f) Vad kallas den drivande kraften som gör att membraner hålls ihop och attproteiner veckar sig? Hur fungerar den? (1p)(4 p)Svarsmall:a) 1.54 Å (0.5p),b) kväve, syre (0.5p) (svavel),c) 2.4-3.5 Å (0.5p) (2.7-3.2 Å vanligast),d) 3.5-4.5 Å (0.5p),e) Syret i asparaginsidokedjan är ett karbonylsyre (dubbelbundet till kol) och där finnsalltså inget väte. För att det ska kunna bli en vätebinding måste det då finnas ett väte ikarboxylgruppen hos glutaminsyra som alltså måste vara protonerad och såledesoladdad. (1p)f) Hydrofoba effekten (0.5p). Hydrofoba delar av lipider eller proteiner klumpar ihopsig för att undgå kontakten med vatten. (0.5p)2. Vad krävs för att en (kemisk) reaktion ska kunna ske spontant?(1 p)Svarsmall:Gibbs fria energi måste minska (1p), dvs produkterna måste ha lägre fri energi änutgångsämnena (ΔG = ΔH – TΔS < 0).3. Aminosyrornas sidokedjor har olika egenskaper. Para ihop aminosyresekvenserna(1-4) med dess troliga plats i en globulär proteinstruktur (A-D).1. Arg-Asn-Lys A. Begravt i proteinet2. Pro-Pro-Gly B. Exponerat på proteinytan3. X-Serin-X C. I aktiva ytan på en grupp proteaser4. Trp-Gly-Phe D. I en loopregion(X=variabel)Svarsmall:Svar: 1B, 2D, 3C, 4ATotalt 2p (0,5p per rätt delsvar)(2 p)4. Rita upp den generella formeln för en dipeptid vid fysiologiskt pH.Sidan 1 av 8

Rita bindningar och ev. laddningar. Markera N- och C-terminal, phi, psi ochpeptidbindning och visa vilka som kan rotera.Svarsmall:(3 p)Peptidbindning- kan inte roteraN-terminal+H 3NRoterbarabindningarR1R2OααC C N CφHψHφHψφ = Phi-vinkel ψ = Psi-vinkelCOOC-terminalTotalt 3p (1p för rätt formel, 0,5p för laddning, 0.5p för rätt bindningar, 0.5p förroterbara, 0.5p för N- och C-terminal)5. Du har isolerat ett nytt protein som du kallar Q vilket du vill försöka karaktärisera.Bland annat så vill du bestämma molekylvikten hos Q.a) Föreslå en metod att experimentellt bestämma molekylvikten hos protein Q i dessnativa (oförstörda) form. Beskriv kortfattat principen för metoden och hur man kanutföra ett sådant experiment. (3 p)b) En kollega bestämmer aminosyrasekvensen för protein Q och finner att det bestårav 2273 aminosyror. Hon tror sig veta att man från detta teoretiskt även kan beräknaden ungefärliga molekylvikten men är lite osäker på hur man gör och kommer därförupp med flera förslag: 25.000 Dalton, 250.000 Dalton eller 100.000 Dalton.Vilken av molekylvikterna är troligen rätt? (1 p)c) Det visar sig vidare att Q har förmåga att binda till glukos. Hur kan man utnyttjadetta för att rena Q? (1 p)(5 p)Svarsmall:a) Använd gelfiltrering där separation sker efter storlek hos molekylerna.Systemet består av två faser en fast och en mobil. Den fasta fasen består av porösakulor och den mobila är oftast en buffert. Separationen beror av molekylernasförmåga att tränga in kulornas porer. Små molekyler vandrar långsammare än stora.(1.5 p) För att bestämma molekylvikten får proteiner av känd molekylvikt förstpassera genom en kolonn med gel och då deras elueringsvolymer är proportionellamot molekylvikten kan en standardkurva konstrueras från dessa data. Låt därefter Qpassera genom samma kolonn och använd standardkurvan för att beräknamolekylvikten (1.5 p).b) 250.000 Dalton, då varje aminosyra i genomsnitt väger c:a 110 Dalton. (1p)c) Konstruera någon typ av affinitetsgel till vilken glukos irreversibelt binds. Därefterkan man packa en kolonn med denna gel som vidare används för att binda upp Q. (1p)6. Definiera och beskriv kortfattat de tre stegen i molekylärbiologins "centraladogma", flödet av den genetiska informationen.Svarsmall:(3 p)Sidan 2 av 8

DNA -> DNA = replikering (0.5p). DNA kopieras genom att varje kedja bildar mallför komplementär kopiering (0.5p).DNA -> RNA = transkription (0.5p). Vissa delar av DNA kopieras till RNA. En kedjai DNA är mall för komplementär kopiering (0.5p).RNA -> protein = translation (0.5p). mRNA används som mall för syntesen av proteinpå ribosomen (0.5p). För varje aminosyra som inkorporeras i proteinet passas trebaser i mRNA (kodonet) ihop med antikodonet på den tRNA-molekylen som för inaminosyran till peptidsyntesen.7. Varför kan man förutsäga ett proteins aminosyrasekvens om man känner genensnukleotidsekvens, men ej bestämma en gens nukleotidsekvens om man kännerproteinets aminosyrasekvens?(2 p)Svarsmall:Varje kodon i gensekvensen svarar mot en enda aminosyra (1p), därför kan viförutsäga proteinets sekvens från gensekvensen. Däremot så finns det mer än ettkodon för de flesta aminosyrorna (1p), dvs. flera alternativa sekvenser är möjliga.8. Redogör med hjälp av den s.k. "transition state"-teorin hur enzymer accelererarkemiska reaktioner (för full poäng krävs både text och förklarande figur(er)!).(3 p)Svarsmall:Korrekt figur med S, P, TS, aktiveringsenergimarkerade ger 1p. Hos (de flesta) enzymer finns enficka (aktiv yta, eng ”active site”) där den reaktionsom katalyseras sker. Fickan är specifikt konstrueradför att binda till substrat och de övergångsformersom passeras på vägen till produkt(er). Genom attfickan är konstruerad så att den binder starkast tillövergångsformer (”transition states”) stabiliserasdessa mer än t.ex. substrat och produkter (1p).”Puckeln” mellan substrat och produkt ienergidiagrammet – som motsvararaktiveringsenergin – blir då lägre och då sker det flerreaktioner per tidsehnhet, d.v.s. reaktionen gårsnabbare (1p).aktiveringsenergi9. Hur fungerar proteolytisk aktivering? Ge två exempel på viktiga biokemiskaprocesser som regleras genom proteolytisk aktivering.(3 p)Svarsmall:Proteolytisk aktivering sker genom enzymkatalyserad hydrolys (klyvning) (0.5p) av(en eller några) peptidbindingar i icke-aktiva prekursorer som kallas zymogener ellerproenzymer (0.5p). Klyvningen leder till konformationsförändringar som i sin turleder till att den aktiva ytan formas (1p). Exempel: aktiveringen avmatsmältningsenzymer (0.5p) som trypsin, eller av enzymerna i blodlevringskaskaden(0.5p).Sidan 3 av 8

10. Enzymet E som följer Michaelis-Menten-kinetik har ett Km på 1μM(mikromolar). Initiala hastigheten är 0.1 μM/min (mikromolar/min) vid ensubstratkoncentration på 1000 μM (mikromolar). Vad är den initiala hastigheten när[S] är lika meda) 2 mM (millimolar) (1p)b) 1 μM (mikromolar) (1p)c) 3 μM (mikromolar)? (1p)(3 p)Svarsmall:När [S] = 1000 μM så gäller [S] >> K m , och alltså är v 0 = V max = 0.1 μM/mina) för varje substratkoncentration större än 1000 μM , v 0 = V max = 0.1 μ M/min (1p)b) [S] = K m så v 0 = V max /2 , eller 0.05 μM/min (1p)c) Eftersom K m och V max är kända, kan Michaelis-Menten ekvationen användas för attberäkna v 0 vid varje substratkoncentration: v 0 = V max [S] / ( K m + [S] )För [S] = 3 μM:v 0 = (0.1 μM/min) (3 μM) / (1 μM + 3 μM) = 0.3/4 μM/min = 0.075 μM/min (1p)11. Rita Lineweaver-Burke-plotten föra) ett enzym i frånvaro och i närvaro av en kompetitiv inhibitor (1.5p)b) ett enzym i frånvaro och i närvaro av en icke-kompetitiv (non-competitive)inhibitor (1.5p)Förklara hur de två typerna av inhibitorer fungerar, och hur Vmax och Km påverkasav inhibitorerna. Ange i figurerna hur man får ut Vmax och Km, och glöm inte attnamnge axlarna!(3 p)Svarsmall:a) b)1/Vmax-1/Kma) korrekt figur (samma skärningspunkt 1/V-axeln) samma Vmax, men högre Km inärvaro av inhibitor (1p); inhibitor och substrat konkurrerar om aktiva ytan (0.5p)b) korrekt figur (samma skärningspunkt 1/[S]-axeln) samma Km, men lägre Vmax inärvaro av inhibitor (1p); binder till regulatorisk yta och påverkar aktiva ytan genomkonformationsförändringar (jmf heterotrop alloster effekt) (0.5p)12. Illustrera i figur hur reaktionshastigheten varierar som funktion av substratkoncentrationenföra) ett allosteriskt enzym (0.5p), ochb) ett enzym som följer Michaelis-Menten kinetik (0.5p).Sidan 4 av 8

Glöm inte att märka axlarna!c) Aspartatkarbamoylas katalyserar omvandlingen av aspartat och karbamoylfosfat tillkarbamoylaspartat. Enzymet aktiveras kooperativt av båda substraten. Enbisubstratanalog, PALA, inhiberar enzymet vid höga koncentrationer, men aktiverarenzymet vid låga koncentrationer. Förklara detta fenomen! (3p)(4 p)Svarsmall:a) b)a) Figur med sigmoidal kurva (0.5p).b) Figur med hyperbol kurva (0.5p)c) Aspartatkarbamoylas är ett allosteriskt enzym som består av flera subenheter.PALA binder starkt till aktiva ytan (bisubstratanalog). Vid höga halter binder PALAtill samtliga aktiva ytor och blockerar dessa (kompetitiv inhibering) (1p). Samtidigtskiftar PALA aspartatkarbamoylas från den inaktiva (T) till den aktiva (R) formen(1p). Vid låga halter av PALA förblir en del aktiva ytor fria samtidigt som enzymetaktiveras allostert (1p).13. Vid fysisk ansträngning används stora mängder av ATP av skelettmusklerna. Föratt tillgodose musklernas energibehov används olika substrat för produktion av ATPberoende på den fysiska aktivitetens varaktighet. Markera i figuren nedan vilkasubstrat som används (1.5p) och ange om de används vid aerob eller anaerobmetabolism (1.5p).glukoscreatinfosfatfettsyror(3 p)Svarsmall:Punktlinje: creatinfosfat (0.5p); streckad: glukos (0.5p); streckad med punkt: fettsyror(0.5p).De två första används vid anaerob metabolism 0,5 + 0,5 p) och fettsyror vid aerobmetabolism (0,5p).Sidan 5 av 8

a) Består av en serie reaktioner som inte har något samband med någon annanmetabolisk reaktionsväg.b) Genererar NADH som reducerande ämne i biosyntes-reaktioner.c) Producerar ribos-5-fosfat.d) Kräver arabinos-5-fosfat.Svarsmall:c) är rätt svar (1p)(1 p)18. Citronsyracykeln: Vilket påstående är rätt?Om pyruvat skall oxideras vidare i citronsyra cykelna) måste pyruvat omvandlas till oxalacetatb) måste pyruvat omvandlas till acetyl-CoA genom oxidativ dekarboxylering.c) måste pyruvat binda kovalent till ett litet enzym som katalyserar reaktionen.Svarsmall:b) är rätt svar (1p)(1 p)19. Vilken av följande aminosyror spelar en avgörande roll i transporten avamoniumjoner från perifiära vävnader till levern?a) Serinb) Metioninc) Glutamind) ArgininSvarsmall:c) Glutamin (1p)(1 p)20. Merparten av allt lagrat glykogen återfinns i skelettmuskeln. Trots detta användsinte muskelgykogen till att balansera blodglukosnivån. Vad används istället och varförutnyttjas inte muskelgykogen?(2 p)Svarsmall:I muskeln saknas enzymet glukos6-fosfatas vilket medför att glukosgruppen inte kanspjälkas bort och därmed exportera ut glukos ut ur cellen (1p). I levern däremot finnsovanstående enzym och därmed regleras blodglukosnivån huvudsakligen genom attleverglykogen bryts ned till glukos som transporteras ut i blodet. (1p)21. Visa med en enkel skiss huvudkomponenterna i fotosyntesens ljusreaktion hosväxter.(5 p)Svarsmall:Huvudkomponenterna är:1. Ett vattenspjälkande komplex (0.5p)2. Ett reaktionscenter, fotosystem II (PS II) proteiner + pigment, t.ex. klorofyll (1p)3. Ett proteinkomplex som binder elektrontransportörer (0.5p)4. Ytterligare ett reaktionscenter, fotosystem I (PS I) (1p)Sidan 7 av 8

5. Ytterligare ett proteinkomplex som binder elektrontransportörer (0.5p)och en slutligelektronmottagare (NADP+) (0.5p)6. ATP syntetas, ett enzym som syntetiserar ATP och som drivs av and protongradient(pH-gradient) (1p)Ev. kan man också ta med antennkomplex och mobila elektronbärare som plastokinonoch plastocyaninFotosystemIICytokrom bf-komplexFotosystemIATPsyntas22. Kolmetabolisma) Beskriv kolets kretslopp med en enkel skiss (1p)b) Till skillnad från däggdjur (t. ex. människan) kan växter tillgodose sitt behov avkolhydrater genom nysyntes från oorganiskt kol. Vad kallas processen och vilken ärden primära reaktionen i processen? (2p)c) Vad heter enzymet som katalyserar denna reaktion som är unik för växter (ochandra fotosyntetiserande organismer)? (1p)d) På vilket sätt påverkar luftens syre flödet och energiutbytet i reaktionen? (2p)(6 p)Svarsmall:Svar: a) Se skiss. Autotrofer fixerar luftens koldioxid(CO2) som omvandlas till kolhydrat (CH2O)n ochspjälkar vatten (H2O) till syre (O2). Processen drivs avsolljusenergin. Heterotrofer livnär sej på kolhydratersom producerats av autotrofer och använder syre tillförbränning, varvid vatten bildas. (1p)b) Processen är kolfixering (Calvin-cykeln, reduktivapentosfosfatcykeln, eller mörkerreaktionen). Luftenskoldioxid binds till (fixeras i) ribulos-1,5-bisfosfat,varvid triosfosfat/hexoser bildas.(2p)c) Ribulos-1,5-bisfosfatkarboxylas/oxygenas ellerRubisco. (1p)d) Luftens syre konkurrerar med koldioxid i Rubisco's aktiva yta. Oxygenering avribulos-1,5-bisfosfat leder till bildning av en molekyl 3-fosfoglycerat (3PGA) och enmolekyl 2-fosfoglycerat (i stället för två 3PGA), d.v.s. inget CO2 fixeras.Nedbrytning/omvandling av 2-fosfoglycerat som bildas, fotorespiration, är enSidan 8 av 8

energikrävande process (kräver extra ATP och NADH), som resulterar i att kolavlägsnas ur Calvincykeln genom att koldioxid i stället avges. (2p).23. Molekylära motorer som skall förflytta sig en längre sträcka behöver ett spår attfölja. Proteinerna actin och myosin som är de huvudsakliga aktörerna i vårtmuskelarbete är ett exempel på detta.a) Vilken av dessa proteiner är motorn och vilken är spåret?b) Vilket NTP måste binda till motorn för att den skall kunna förflytta sig?(2 p)Svarsmall:a) Myosin-motor, actin-spår. b) ATP. Totalt 2p (1p på varje)Sidan 9 av 8