Bioteknologi A
Ny ordning
Kl 09.00-14.00
Vejledning
Prøven
Opgavesættet består af 4 opgaver. Opgaverne 1 og 2 skal begge besvares. Kun en af opgaverne 3 og 4 skal besvares.
Alle hjælpemidler er tilladt.
Opgavebesvarelsen
Din opgavebesvarelse skal afleveres i et samlet dokument, gemt i pdf-format.
Bedømmelse
Ved bedømmelsen af din besvarelse lægges vægt på din evne til, at:
| - | anvendelse af fagbegreber og fagsprog og relevante repræsentationer og modeller til beskrivelse, forklaring og analyse | |
| - | formulere sig struktureret om bioteknologiske emner, inddrage relevant viden og give sammenhængende faglige forklaringer | |
| - | vurdere eksperimentelt arbejde og dets tilrettelæggelse | |
| - | bearbejde data fra kvalitative og kvantitative eksperimenter og undersøgelser og vurdere resultaterne herfra | |
| - | analysere og diskutere data og eksperimentelle resultater under inddragelse af relevant faglig viden | |
| - | gennemføre og præsentere relevante beregninger ved korrekt brug af fagsprog, herunder anvende relevante matematiske modeller og metoder | |
| - | benytte relevante fagspecifikke digitale værktøjer hensigtsmæssigt | |
| Der gives én karakter på baggrund af en helhedsbedømmelse. | ||
Opgave 1 Kanelsyre og kolesterol
| Kanelsyre er et forstadium i syntesen af flere forskellige typer medicin, herunder kolesterolsænkende medicin. Kolesterol findes i cellemembranen hos især ensvarme dyr og indgår i det materiale, der aflejres på indersiden af arterierne og giver anledning til hjerte- og karsygdomme. |
Figur 1.1 Kolesterolmolekylet og dets placering i en cellemembran. |
| 1. | Forklar kolesterols placering i cellemembranen. Inddrag figur 1.1. |
Benzaldehyd kan reagere med propandisyre, så der dannes kanelsyre, se figur 1.2.
Figur 1.2 Syntese af kanelsyre sker i en opløsning af pyridin og med piperidin som katalysator.
I en syntese blander en gymnasieelev 3,0 mL benzaldehyd med 3,1 g propandisyre.
| 2. | Beregn det teoretiske udbytte af kanelsyre. |
|
Figur 1.3 I filmen er disse 5 punkter markeret. Punkt 2, tilbagesvaling, vises to gange i filmen.
|
Enzymet mevalonat pyrophosphat decarboxylase indgår i kroppens egen syntese af kolesterol. Figur 1.4 viser enzymhastigheden som funktion af substratkoncentrationen for enzymet mevalonat pyrophosphat decarboxylase og samme enzym hæmmet med kanelsyre.
Figur 1.4 Michaelis-Menten-graf for enzymet mevalonat pyrophosphat decarboxylase med hæmning med kanelsyre (grå cirkler) og uden hæmning (orange cirkler).
| 5. | Argumentér for, om kanelsyre fungerer som kompetetiv eller non-kompetetiv hæmmer af mevalonat pyrophosphat decarboxylase. Inddrag figur 1.4. |
Opgave 2 Rubisco
Kurvblomstfamilien er en stor plantefamilie, der er vidt udbredt over hele Jorden. Fx vokser Sonchus arvensis i Danmark, mens Kleinea neriifolia og Sonchus canariensis vokser på Tenerife.
| A | B | C | D |
Figur 2.1 (A) Kort over det vestlige Europa og nordlige Afrika, hvor Danmark og Tenerife er markeret. (B) Kleinia neriifolia (C) Sonchus arvensis (D) Sonchus canariensis.
Når planter laver fotosyntese, anvendes enzymet rubisco, som findes i alle fotosyntetiserende organismer. Enzymet er derfor opstået i de allerførste organismer på jorden. Genet for rubisco ændrer sig meget langsomt imellem organismer og er derfor godt at bruge til slægtskabsanalyser. Figur 2.2 viser et alignment af et udsnit af genet for rubisco hos tre plantearter.
| 1. | Argumentér for, at de to arter af Sonchus er nærmere beslægtet med hinanden end med Kleinia neriifolia. Inddrag figur 2.2. |
|
| 2. | Giv forslag til, hvorfor genet for rubisco fra de to arter af Sonchus er næsten identiske trods det, at arterne lever så langt fra hinanden. |
Rubiscos funktion i fotosyntetiserende organismer er at fungere som carboxylase, så den kan fiksere carbondioxid. Rubisco er dog ikke specifikt for carbondioxid, men det kan også fungere som oxygenase, og på den måde fiksere dioxygen, hvilket påbegynder en sekvens af reaktioner, som kaldes fotorespiration. En af delreaktionerne i fotorespirationen er vist i figur 2.3.
Figur 2.3 Delreaktion i fotorespirationen.
MarvinSketchfil af figur 2.3, ChemSketchfil af figur 2.3.
| 3. | Angiv reaktionstypen for reaktionen, som er vist i figur 2.3. Begrund dit svar. |
Et forsimplet overblik over rubiscos funktion i hhv. Calvin cyklus1 og i fotorespirationen er angivet i figur 2.4.
Figur 2.4 De to reaktioner, som enzymet rubisco katalyserer. Produkterne indgår videre i Calvin cyklus i fotosyntesen (til venstre med sort skrift) og fotorespirationen (til højre med rød skrift).
| 4. | Forklar med udgangspunkt i figur 2.4, hvorfor dioxygen mindsker plantens dannelse af glucose. |
Forskerne har undersøgt omfanget af fotorespiration hos 2 forskellige stammer af planten gåsemad. De har udført et eksperiment, hvor de måler gennemsnitsmassen af gåsemadsplanter efter 6 ugers vækst. Undersøgelserne foregår i et miljø med forskellige koncentrationer af carbondioxid, men samme koncentration af dioxygen.
Forskerne drager tre konklusioner af resultaterne:
| - | Stamme 1 laver mindre fotorespiration end stamme 2. | |
| - | Resultaterne understøtter hypotesen om at carbondioxid og dioxygen konkurrerer om pladsen i det aktive center i rubisco. | |
| - | Rubisco-genet fra stamme 1 vil være bedst at arbejde videre med, når man vil udvikle afgrødeplanter til friland mens stamme 2 vil være bedst til afgrøder i drivhus. |
| 5. | Vælg én af de tre konklusioner og argumenter for, at den er rigtig. Inddrag figur 2.5. |
1 Calvin cyklus kaldes også mørkeprocesserne.
Af opgaverne 3 og 4 skal én og kun én af opgaverne besvares.
HIV er et virus, som inficerer immunforsvarets T-hjælpeceller ved at binde til overfladeproteinet CD4 på T-hjælpecellen. Film 3.1 viser strukturen af CD4.
En behandlingsmulighed mod HIV er lægemidlet Temsavir, der optages i tarmen. Nedbrydningen af Temsavir begynder, så snart Temsavir er i blodet. Figur 3.1 viser reaktionsskemaet for nedbrydningen af Temsavir i blodet.
Figur 3.1 Reaktionsskemaet for nedbrydningen af Temsavir.
Temsavir virker uden for værtscellen. Det er i modsætning til tidligere lægemidler mod HIV, der virker inde i værtscellen. Figur 3.2 viser virkningen af Temsavir på HIV.
Figur 3.2 Virkningen af Temsavir på HIV.
I et forsøg bestråles knoglemarven i mus, og derefter transplanteres de med humane bloddannende stamceller. Musene producerer herefter kun humane T-hjælpeceller. Nogle af musene blev fire måneder senere inficeret med 10.000 HIV-partikler, se figur 3.3. I figur 3.3 ses udviklingen i antallet af T-hjælpeceller hos inficerede og ikke inficerede mus.
Figur 3.3 Udviklingen i antal T-hjælpeceller hos HIV-inficerede mus og hos kontrolgruppen, der ikke er inficeret med HIV.
Når T-hjælpeceller bliver inficeret af HIV, indsættes virussens DNA i T-hjælpecellens genom. Forskere har undersøgt, om man kan fjerne HIV-DNA’et fra T-hjælpecellerne ved hjælp af metoden CRISPR-Cas9. Figur 3.4 viser med rødt de to klippesteder i virusgenomet for Cas9-enzymet. T-hjælpecellens reparationsmekanismer samler selv enderne efter Cas9’s to klipninger.
Figur 3.4 Virusgenomet fra HIV, som er indsat i musenes T-hjælpeceller. Markeret med grønt er primersættet, som anvendtes til den efterfølgende PCR. Klippesteder for Cas9-enzymet er markeret med rødt (gRNA).
Forskerne afprøvede denne CRISPR-Cas9-metode på nogle af de inficerede mus. Herefter undersøgtes det, om HIVs genom var blevet fjernet i fem undersøgte mus. Musene blev aflivet, og DNA isoleret fra T-hjælpeceller i milten. Derefter anvendtes PCR, som det er vist i figur 3.4. De fremkomne DNA-stykker blev adskilt ved hjælp af DNA-elektroforese. Figur 3.5 viser et udsnit af resultatet af denne elektroforese.
Figur 3.5 Gel fra DNA-elektroforese af DNA-stykker opformeret fra T-hjælpeceller hos fem mus efter CRISPR-Cas9-behandling. Det er kun udsnittet af gelen fra 1200-2000 basepar, der er vist.
Opgave 3 HIV og CRISPR
HIV er et virus, som inficerer immunforsvarets T-hjælpeceller ved at binde til overfladeproteinet CD4 på T-hjælpecellen. Film 3.1 viser strukturen af CD4.
| 1. | Beskriv den sekundære struktur af CD4-proteinet. Inddrag film 3.1. |
En behandlingsmulighed mod HIV er lægemidlet Temsavir, der optages i tarmen. Nedbrydningen af Temsavir begynder, så snart Temsavir er i blodet. Figur 3.1 viser reaktionsskemaet for nedbrydningen af Temsavir i blodet.
Figur 3.1 Reaktionsskemaet for nedbrydningen af Temsavir.
| 2. | Angiv enzymklassen for nedbrydningen af Temsavir. Begrund dit svar. |
Temsavir virker uden for værtscellen. Det er i modsætning til tidligere lægemidler mod HIV, der virker inde i værtscellen. Figur 3.2 viser virkningen af Temsavir på HIV.
Figur 3.2 Virkningen af Temsavir på HIV.
| 3. | Skriv en figurtekst til figur 3.2. |
I et forsøg bestråles knoglemarven i mus, og derefter transplanteres de med humane bloddannende stamceller. Musene producerer herefter kun humane T-hjælpeceller. Nogle af musene blev fire måneder senere inficeret med 10.000 HIV-partikler, se figur 3.3. I figur 3.3 ses udviklingen i antallet af T-hjælpeceller hos inficerede og ikke inficerede mus.
Figur 3.3 Udviklingen i antal T-hjælpeceller hos HIV-inficerede mus og hos kontrolgruppen, der ikke er inficeret med HIV.
| 4. | Forklar, hvilke konsekvenser infektionen med HIV har på musenes immunforsvar. Inddrag figur 3.3. |
Når T-hjælpeceller bliver inficeret af HIV, indsættes virussens DNA i T-hjælpecellens genom. Forskere har undersøgt, om man kan fjerne HIV-DNA’et fra T-hjælpecellerne ved hjælp af metoden CRISPR-Cas9. Figur 3.4 viser med rødt de to klippesteder i virusgenomet for Cas9-enzymet. T-hjælpecellens reparationsmekanismer samler selv enderne efter Cas9’s to klipninger.
Forskerne afprøvede denne CRISPR-Cas9-metode på nogle af de inficerede mus. Herefter undersøgtes det, om HIVs genom var blevet fjernet i fem undersøgte mus. Musene blev aflivet, og DNA isoleret fra T-hjælpeceller i milten. Derefter anvendtes PCR, som det er vist i figur 3.4. De fremkomne DNA-stykker blev adskilt ved hjælp af DNA-elektroforese. Figur 3.5 viser et udsnit af resultatet af denne elektroforese.
| 5. | Inddrag figur 3.4 i en analyse af figur 3.5. |
Af opgaverne 3 og 4 skal én og kun én af opgaverne besvares.
Cystisk fibrose (CF) er en arvelig sygdom, som angriber blandt andet lunger og mave-tarmsystemet. Figur 4.1 viser et stamtræ for en familie, hvor cystisk fibrose optræder.
Figur 4.1 Stamtræ over familie med cystisk fibrose.
Sygdommen forårsages af en mutation i CFTR-genet, hvilket blandt andet fører til, at tyk slim sætter sig i luftvejene.
Figur 4.2 (A) CFTR-proteinets virkning på slimhinderne hos en person uden cystisk fibrose og (B) hos en person med cystisk fibrose.
Patienter med cystisk fibrose har ofte kroniske lungeinfektioner. Det skyldes blandt andet bakterien Pseudomonas aeuginosa (P. aeuginosa). For at undersøge væksthastigheden af P. aeuginosa udtog man slim med bakterier fra de syge lunger hos en patient med cystisk fibrose og undersøgte væksthastigheden in vitro2 af P. aeuginosa. Data fra ét af in vitro-forsøgene med fri adgang til dioxygen ses i datafil4.1.
P. aeuginosa er et problem for patienter med cystisk fibrose, da bakterierne ofte udvikler resistens over for antibiotika ved at gå fra en nonmucoid form, som ikke danner store mængder alignat, til en mucoid form der danner store mængder alginat. Skiftet mellem de to varianter skyldes en deletion af et basepar i genet for mucA, hvorved der opstår en muteret udgave af mucA.
Figur 4.3 (A) Til venstre på petriskålen er P. aeuginosa på sin nonmucoide form og til højre på petriskålen på sin mucoide form. (B) Her ses mucAs indflydelse på alginatproduktionen i den normale celle. (C) Her ses mucAs indflydelse på alginatproduktionen i en celle med den muterede udgave af mucA.
Bakterien P. aeuginosa er fakultativt anaerob3. Ved in vivo-undersøgelser af væksthastigheden af P. aeuginosa i lungen hos patienten med cystisk fibrose viser det sig, at væksthastigheden er lavere in vivo (cirka 0,2 delinger pr. time), end in vitro. Man antager, at dette er, fordi der til området tilkaldes en bestemt type hvide blodceller, som forbruger store mængder dioxygen.
2 In vitro, er eksperimenter der udføres uden for patienten. In vivo er eksperimenter der udføres i patienten.
3 Fakultativ anaerobt betyder, at bakterien kan formere sig både med og uden tilstedeværelsen af dioxygen.
4 Citratcyklus kaldes også citronsyrecyklus eller Krebs’ cyklus.
Opgave 4 Cystisk fibrose
Cystisk fibrose (CF) er en arvelig sygdom, som angriber blandt andet lunger og mave-tarmsystemet. Figur 4.1 viser et stamtræ for en familie, hvor cystisk fibrose optræder.
Figur 4.1 Stamtræ over familie med cystisk fibrose.
| 1. | Argumentér for, at sygdommen nedarves autosomalt recessivt. Inddrag figur 4.1 og angiv genotyper for person II-2, II-3, III-2 og III-3. |
Sygdommen forårsages af en mutation i CFTR-genet, hvilket blandt andet fører til, at tyk slim sætter sig i luftvejene.
| 2. | Forklar, hvorfor slim bliver mere tyktflydende hos patienter med cystisk fibrose. Inddrag figur 4.2. |
Patienter med cystisk fibrose har ofte kroniske lungeinfektioner. Det skyldes blandt andet bakterien Pseudomonas aeuginosa (P. aeuginosa). For at undersøge væksthastigheden af P. aeuginosa udtog man slim med bakterier fra de syge lunger hos en patient med cystisk fibrose og undersøgte væksthastigheden in vitro2 af P. aeuginosa. Data fra ét af in vitro-forsøgene med fri adgang til dioxygen ses i datafil4.1.
| 3. | Bestem fordoblingstiden for P. aeuginosa i vækstforsøget ud fra datafil4.1. Det antages, at absorbans og antal af bakterier i prøven er ligefrem proportionale. |
P. aeuginosa er et problem for patienter med cystisk fibrose, da bakterierne ofte udvikler resistens over for antibiotika ved at gå fra en nonmucoid form, som ikke danner store mængder alignat, til en mucoid form der danner store mængder alginat. Skiftet mellem de to varianter skyldes en deletion af et basepar i genet for mucA, hvorved der opstår en muteret udgave af mucA.
Figur 4.3 (A) Til venstre på petriskålen er P. aeuginosa på sin nonmucoide form og til højre på petriskålen på sin mucoide form. (B) Her ses mucAs indflydelse på alginatproduktionen i den normale celle. (C) Her ses mucAs indflydelse på alginatproduktionen i en celle med den muterede udgave af mucA.
| 4. | Forklar hvorfor mutationen i mucA medfører en forøget produktion af alginat. Inddrag figur 4.3. |
Bakterien P. aeuginosa er fakultativt anaerob3. Ved in vivo-undersøgelser af væksthastigheden af P. aeuginosa i lungen hos patienten med cystisk fibrose viser det sig, at væksthastigheden er lavere in vivo (cirka 0,2 delinger pr. time), end in vitro. Man antager, at dette er, fordi der til området tilkaldes en bestemt type hvide blodceller, som forbruger store mængder dioxygen.
| 5. | Argumentér for, om aktiviteten af citratcyklusenzymet4 α-ketoglutarat dehydrogenase vil være størst i in vivo populationen eller i in vitro populationen. |
2 In vitro, er eksperimenter der udføres uden for patienten. In vivo er eksperimenter der udføres i patienten.
3 Fakultativ anaerobt betyder, at bakterien kan formere sig både med og uden tilstedeværelsen af dioxygen.
4 Citratcyklus kaldes også citronsyrecyklus eller Krebs’ cyklus.
Filer til opgaverne
| 193757_figur_2_3.mrv | 2 | 2.3 | MarvinSketch fil med strukturformel |
| 193757_figur_2_3.sk2 | 2 | 2.3 | ChemSketch fil med strukturformel |
| 193757_datafil_4_1.xlsx | 4 | 4.1 | Excel datafil |
Klik her for at downloade alle filer.
Figurliste
| Opgave 1 | |
| Figur 1.1: | Peder Kjær Gasbjerg |
| Figur 1.2: | Kim Bruun |
| Figur 1.3: | Kim Bruun |
| Figur 1.4: | Kim Bruun |
| Film: | Kim Bruun og Morten Bak Hansen |
| Opgave 2 | |
| Figur 2.1a: | Peder Kjær Gasbjerg |
| Figur 2.1b: | (Foto) Kim Bruun |
| Figur 2.1c: | https://en.wikipedia.org/wiki/Sonchus_arvensis |
| Figur 2.1d: | (Foto) Kim Bruun |
| Figur 2.2: | Kim Bruun |
| Figur 2.3: | Joan I. Sørensen |
| Figur 2.4: | Peder Kjær Gasbjerg |
| Figur 2.5: | Joan I. Sørensen |
| Opgave 3 | |
| Film 3.1: | RSCB PDB (rcsb.org), PDB ID 1JL4 (Wang, J.-H., Meijers, R., Reinherz, E.L.) (2001) og visualiseringssoftwaren Mol* (D. Sehnal, A.S. Rose, J. Kovca, S.K. Burley, S. Velankar (2018). Mol*: Towards a common library and tools for web molecular graphics MolVA/EuroVis Proceedings. doi:10.2312/molva.20181103). |
| Figur 3.1: | Tina Sølbek Schmidt |
| Figur 3.2: | Peder Kjær Gasbjerg |
| Figur 3.3: | Peder Kjær Gasbjerg |
| Figur 3.4: | Peder Kjær Gasbjerg |
| Figur 3.5: | Peder Kjær Gasbjerg |
| Opgave 4 | |
| Figur 4.1: | Peder Kjær Gasbjerg |
| Figur 4.2: | Peder Kjær Gasbjerg |
| Figur 4.3a: | https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/j.1365-2958.2012.08049.x |
| Figur 4.3b: | Peder Kjær Gasbjerg |