Lääketiede, välikokeen vastausanalyysi

Transkriptio

1 Tehtävä 1. (8,5 p) Tay sachsin sairaus (infantile amarotic idiocy) on ihmisellä resessiivinen perinnöllinen sairaus, joka johtaa kuolemaan varhaisessa lapsuudessa. Brachydactylia (lyhyet, kaksiniveliset sormet) on dominoivasta geenistä johtuva epämuodostuma, joka on homotsygoottina letaali. a) Mitkä ovat murrosikäisten lasten fenotyyppien odotusarvot avioliitossa, jossa sekä mies että vaimo ovat heterotsygootteja sekä Tay Sachsin sairauden suhteen että brachydactyliaa aiheuttavan geenin suhteen? Kyseisten lokusten oletetaan kombinoivan vapaasti. Tay sachsin sairaus on yleinen erityisesti itäisen Euroopan Ashkenazi-juutalaisten keskuudessa. Tauti aiheuttaa hermosolujen tuhoutumista ja sen oireita ovat muun muassa vähentynyt näkökyky ja sokeus. b) Mistä voi johtua että tauti on yleinen juuri tässä populaatiossa? c) Millä aivokuoren alueella olettaisit vaurion tapahtuneen, mikäli oireena on näkökyvyn vaurioituminen tai menettäminen? 1.a t= Tay Sachs T=normaali N=Brachydahtylia n=normaali 0,5p P-polvi genotyypit äiti TtNn isä TtNn sukusolut äiti TN, Tn, tn, tn isä TN, Tn, tn, tn fenotyypit äiti ei Tay sachsia, Brachydactylia on isä ei Tay sachsia, Brachydactylia on F1-polvi 0,5p 0,5p 0,5p TN Tn tn tn TN TTNN TTNn TtNN TtNn Tn TTNn TTnn TtNn Ttnn tn TtNN TtNn ttnn ttnn tn TtNn Ttnn ttnn ttnn 1p 1

2 kuollut ennen murrosikää bradydachtyliaan tai Tay Sachsiin 2/2 (6/9) murrosikäisistä jälkeläisistä Brachydactylia 1/3 normaaleja (3/9) Vastaus: Vanhempien murrosikäisistä jälkeläisistä n. 2/3 sairastaa bachydactyliaa (0,5p) (genotyypit TTNn ja TtNn) (0,5p). N.1/3 vanhempien murroikäisistä jälkeläisistä on terveitä (0,5p) (genotyypit TTnn ja Ttnn) (0,5p). Homotsygootit Brachydactylia letaalialleelin omaavat yksilöt (genotyypit TTNN,TtNN, ttnn) ovat kuolleet jo siköasteella (0,5p). Ennen murrosikää jälkeläisistä ovat kuolleet Tay Sachs tautia sairastavat yksilöt (ttnn, ttnn) (0,5p). 1.b 1.c yht. 6p Populaation geenipooliin eli alleelikoostumukseen voi vaikuttaa sattuma, jonka seurauksena voi tapahtua geneettistä ajautumista tai pullonkauloja (0,5p). Nämä voivat aiheuttaa myös haitallisten alleelien osuuden kasvamista populaatiossa (0,25p). Todennäköisesti Tay Sachsin yleisyys juutalaispopulaatiossa johtuu kuitenkin perustajanvaikutuksesta (0,25p): populaatiot yksilöiden ollessa geneettisesti hyvin samankaltaisia ja lisääntyessä keskenään haitalliset resessiiviset alleelit tulevat helpommin esiin (sisäsiittoisuuden haitta = inbreeding depression). (0,5p) yht. 1,5p Mikäli taudin oireena on näkökyvyn heikentyminen tai sokeus on vaurioita luultavasti tapahtunut isoaivojen kuorikerroksen takaraivolohkossa (0,5p), missä sijaitsee näköalue (0,5p). yht. 1p 2

3 Tehtävä 2. (11p) a) Mitä eri mutaatiotyyppejä on olemassa? b) Miten mutaatiot liittyvät syövän syntyyn? 2a. Mutaatiot ovat geeneettisiä muutoksia perimässä (0,5p) geenimutaatiot (0,5p): muutos DNA:n emäsjärjestyksessä (0,5p) o yhden emäksen muutos (0,25p) o yhden emäksen häviämä (0,25p) o yhden emäksen lisäys (0,25p) o häviämät ja lisäykset aiheuttavat lukuraamin muutoksia ja siksi johtavat usein geenin koodamaan proteiinin toimimattomuuteen (0,25p) kromosomimutaatiot (0,5p): kromosomien osat muuttuvat (0,5p) o häviämä (0,25p) o kahdentuma (0,25p) o kääntymä (0,25p) o siirtymä (0,25p) kromosomistomutaatiot (0,5p): kromosomiluku muuttuu kun vastinkromosomit tai sisarkromatidit eivät erkane toisistaan solunjaon aikana (0,5p) o monosomia, esim. Turnerin oireyhtymä (naisella vain yksi X-kromosomi) (0,25p) o trisomia, esim. Downin syndrooma (kolme kromosomia 21) (0,25p) polyploidiat (0,5p): enemmän kuin kaksi kromosomistoa (0,5p) o esim. triploidi 3n (0,25p) o kasveilla yleistä, eläimillä harvinaista (0,25p) mahdollisia + pisteitä o Suvullisesti lisääntyvillä eliöillä ainoastaan sukusolulinjassa esiintyvät mutaatiot periytyvät jälkeläisille (0,25p) o Syntyvät sekä luonnollisesti että mutageenien indusoimina (0,25p) o yleensä haitallisia (0,25p) o selkeä vastaus (0,25-0,5p) yht 7,5p 2b Syöpäkasvaimen kehitys alkaa, kun jokin solujen jakautumista ohjaavista geeneistä mutatoituu. (0,5p) o Esisyöpägeenit ovat solun normaalille toiminnalle välttämättömiä geenejä, joiden tuottamat proteiinit säätelevät solun jakautumista ja erilaistumista. (0,25p) o Mutaatio saattaa muuttaa esisyöpägeenin syöpägeeniksi eli onkogeeniksi. (0,25p) o Yleensä jo toisen esisyöpägeenin alleelin mutatoituminen riittää muutokseen. (0,25p) o Esisyöpägeenien mutaatiota aiheuttavia tekijöitä eli karsinogeeneja ovat mm. tupakansavu ja ionisoiva säteily. (0,25p) 3

4 o Onkogeenien mutaatiot tapahtuvat yleensä somaattisissa soluissa eli vain harva syövän aiheuttava geeni peritään (0,25p) Syövän syntyminen voi johtua mutaatiosta myös kasvunrajoitegeenissä (antionkogeeni, syövänestogeeni ), jotka kontrolloivat solun elämänkaarta ja solusykliä (0,5p) o Normaalisti kasvunrajoitegeenit kykenevät tunnistamaan tapahtuneita mutaatioita ja käynnistämään korjausmekanismin tai apoptoosin (ohjelmoitu solukuolema). (0,25p) o Jos kasvunrajoitegeenissä tapahtuu mutaatio, se ei pysty estämään perintöainekseltaan vaurioituneiden solujen jakautumista (0,25p) solujen muuttuminen pahanlaatuisiksi ja syöpäsolujen lisääntyminen (0,25p) Syövän kehittymisen on arvioitu tarvitsevan 5-7 haitallista mutaatiota. (0,25p) Nykyisen käsityksen mukaan DNA-vaurioiden korjausmekanismien pettäminen on keskeisin syövän syntymisen mekanismi (0,25p) mahdollisia + pisteitä o syövän kehittyminen mutatoituneista soluista kasvaimen kautta (0,25) o selkeä vastaus (0,25-0,5p) yht. 3,5p Tehtävä 3. (6,5p) Esimerkiksi Alzheimerin taudin, verenpainetaudin ja syöpien tutkimuksessa on kehitetty muuntogeenisiä hiirikantoja. 3a a) Miten muuntogeeninen hiirikanta voidaan saada aikaiseksi? b) Miksi muuntogeeniset hiirikannat sopivat ihmisen sairauksien tutkimukseen? Siirrettävä geenikonstrukti muodostetaan yleensä bakteerien tai hiivan plasmidien, eli rengasmaisten kromosomien avulla. (0,5p) o Geenikonstruktiin liitetään mukaan yleensä myös tunnistusta helpottava merkkigeeni. (0,25p) DNA voidaan siirtää hedelmöittyneisiin munasoluihin mikroinjektiolla (0,5p), mikä tarkoittaa geenin siirtoa mikroskoopin alla erittäin ohuella lasiputkella. (0,25p) o Tämän jälkeen injektoiduit munasolut siirretään valeraskaaseen naaraaseen. (0,25p) o Valeraskaus tarkoittaa sitä, että naaras on paritellut steriloidun uroksen kanssa, jolloin sen kohtu muodostuu vastaanottavaiseksi. (0,25p) Kun halutaan siirtää geenejä soluviljelmissä oleviin soluihin, kohdesolujen solukalvo voidaan tehdä läpäiseväksi lyhyellä sähköimpulssilla, joka annetaan solujen kasvatusliuokseen. (0,5p) o Sähköimpulssi tekee solukalvoon hetkellisesti aukkoja, joiden kautta vierasta DNA:ta pääsee isäntäsoluun. (0,25) Isäntäeliöille tyypillisiä viruksia voidaan käyttää vektoreina geenin siirrossa (0,5p), koska ne osaavat luonnostaan tunkeutua isännän soluihin siirtää osan perimästään osaksi isännän perimää. (0,25p) 4

5 Myös fosfolipidikalvon muodostamaa pientä kalvorakkulaa (liposomia), jonka sisällä on DNA:ta, hyödynnetään vieraan materiaalin siirtämisessä nisäkässoluun. (0,5p) o Liposomi sulautuu eläinsolun solukalvoon ja vapauttaa samalla sisältönsä kohdesolun solulimaan. (0,25) Poikasten syntymän jälkeen, siirtogeeniset poikaset tunnistetaan DNA näytteistä esimerkiksi PCR:n ja elektroforeesin avulla. (0,5p) o PCR:ssä käytetään alukkeita, jotka on suunniteltu monistamaan siirretyn DNA:n merkkigeeniä. Tällöin poikasista saadaan eroteltua ne joille siirtogeeni on mennyt ja ne jotka ovat normaaleita. (0,25) mahdollisia + pisteitä o muita geeninsiirtomenetelmiä (0,25) o selkeä vastaus (0,25-0,5p) yht 5p 3b Muuntogeenisiä hiirikantoja voidaan käyttää ihmisen sairauksien tutkimisessa, koska hiiren perimä muistuttaa ihmisen perimää. (0,5p) o molemmat nisäkkäitä (0,25p) o kehitykseen aiheuttavat geenit samanlaisia, mikä näkyy muun muassa alkion kehityksen alkuvaiheiden samankaltaisuutena (0,25p) Genomi tunnetaan ja osataan muokata (0,5p) Mahdollisia + pisteitä o Halpa koe-eläin (0,25p) o Nopea kasvattaa (0,25p) yht 1,5p Tehtävä 4. (12p) Ihmisen tukirankana toimiva luusto muodostaa tärkeän osan kehon biologiasta. Luun lujuus onkin tärkeä mittari yleiselle terveydelle. Eräässä tutkimuksessa (kuva alla) haluttiin tutkia ihmisen sääriluun murtumislujuutta venytyskokeessa lämpötilan funktiona. Tätä varten luu leikattiin pieniin palasiin, joita lämmitettiin 20 kw lämmittimellä tunnin ajan ja viiden minuutin ajanjakson välein yhdelle palalle suoritettiin vetokoe, jossa luu venytettiin poikki. 5

6 Kuva murtumisrajasta lämpötilan funktiona a) Kuinka paljon murtumisraja keskimäärin pieneni lämpötilan funktiona? b) Terveen ihmisen luuntiheys on noin 1800 kg/m 3 ja tutkitun luun tilavuus noin 0,4 dm 3. Mitkä ovat luun lämpökapasiteetti ja ominaislämpökapasiteetti? a) Ratkaistaan kuvaajan kulmakerroin käyttämällä suoraa (1 p). Kulmakerroin saadaan laskettua kun kuvaajalta valitaan kaksi pistettä: esim. (40 ºC, 16 kn) ja (110 ºC, 12,2 kn). Saadaan kulmakerroin = ΔF/ΔT = (12,2 kn 16 kn)/(110 ºC 40 ºC) = - 54,2857 N (2p kaava + vastaus) Pyöristettynä -54 N (vastaukseksi käy tämä ± 2 N) (1p) 4 p maksimi b) Luuta lämmitettiin 20 kw teholla tunnin ajan, joten luun saama maksimaalinen lämpöenergia: Q = Pt = 20 kw 1 h = W 3600 s = J (1 p). Tunnin aikana lämpötila on kuvaajan mukaan noussut n. 90 ºC. (1 p). Näin ollen saadaan lämpökapasiteetti: C = Q/ ΔT = J/ 90 K = J/K (2 p kaava + vastaus) Pyöristettynä 800 kj/k (1 p) ominaislämpökapaisteetti: c = C/m = C/ρV = Q/ΔTρV = J/(0,4 dm kg/m 3 90 K) 6

7 = J/(0,0004 m kg/m 3 90 K) = ,111 J/kg K (2 p kaava + vastaus) Pyöristettynä kj/kg K (1 p) 8 p maksimi Tehtävä 5. (6p) Kun materiaalin venytystä (kuten edellä) tarkastellaan, puhutaan yleensä elastisesta alueesta. Tällä alueella materiaali venytyksen jälkeen palautuu takaisin samaan muotoon, jossa se oli ennen venytystä. Alueella voidaankin olettaa olevan venyttävän voiman ja venymän välillä lineaarinen vastaavuus. Monilla aineilla, kuten metalleilla on enemmän kuin yksi elastinen alue, joidenka välissä kappale muuttaa pysyvästi muotoaan. Jos venyttävä voima on tarpeeksi suuri, tapahtuu materiaalin murtuminen ja puhutaan murtumisrajasta. Alla on kuvattu yhdentyyliselle aineelle ominainen voima-venymä -kaavio. Venyttävä voima venymän funktiona 7

8 a) Perustele mitä fysikaalista suuretta elastisen alueen kulmakerroin vastaa? Mikä on sen yksikkö? b) Jos kappale venyy 1 mm kun siihen kohdistetaan 1,2 kn voima, niin kuinka suuri on a)- kohdassa mainittu kulmakertoimen arvo? a) Koska voiman ja venymän välillä on lineaarinen yhteys on tilanne analoginen tapaukselle jossa jousta venytetään jollain voimalla (2 p). Näin ollen kulmakerroin vastaa jousivakiota (1 p). Sen yksikkö on N/m (1 p). 4 p maksimi b) Edellisen tehtävän mukaan kyseessä on jousivakiolle analoginen kulmakerroin. Näin ollen voidaan kirjoittaa k (kulmakerroin) = F/l = 1200 N/0,001 m = 1200 kn/m (2 p). 2 p maksimi Tehtävä 6. (9p) Sähkömagneettinen säteily irrottaa aineesta elektroneja vain tietyillä aallonpituuksilla. Tämä on seurausta kvanttimekaniikan ennustamasta energian kvanttittumisesta ja sanotaankin, että atomin elektroniorbitaalien energiat ovat kvantittuneet eli saavat vain diskreettejä arvoja. Litiumatomin elektronikuori rakenne voidaan esittää kuvan muodossa: Litiumatomin elektronitasokaavio 8

9 Jos litiumlevyä säteilytetään 200 nm:n UV-valolla, niin kuinka suuren nopeuden irronnut elektroni voi suurimmillaan saavuttaa, kun Planckin vakio on 6, Js ja elektronin massa 9, kg ja varaus 1, C? Elektronin kineettinen energia voidaan lausua muodossa: E kin = E fotoni E irroitus (1 p). Fotonin energia voidaan kirjoittaa muodossa hf = hc/λ = 9, J (2 p). Irroitustyö saadaan elektronitasokaaviosta, E irroitus = 5,19 ev = 8, J (2 p). E kin = hc/λ E irroitus = 1, J = ½ mv 2 (1 p). Josta saadaan nopeus v laskettua (2 p kaava + vastaus) Pyöristettynä m/s (1 p) Tehtävä 7. (8p) Eräässä titaanioksidiseoksessa titaani esiintyy hapetusluvuilla +II ja +III. Happea on seoksessa 32,0 m-%. a) Mikä on vapaana alkuaineena esiintyvän titaanin elektronikonfiguraatio? b) Mikä on Ti (+II) m-% titaanioksidiseoksessa? a) Titaani on siirtymämetalli. 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 2 (1p) b) Mahdolliset yhdistekaavat ovat titaani(ii)oksidi TiO ja titaani(iii)oksidi Ti 2 O 3. (1 p) (0,5 p) (0,5 p) Esimerkkiratkaisu: Otetaan yhdistettä 100 g. Happea on nyt 32 g ja titaania 68 g. Merkitään titaanioksidin eri muotojen ainemäärää sadassa grammassa seosta x:llä ja y:llä. 9

10 Saadaan yhtälöt: Ratkaistaan y alemmasta yhtälöstä ja sijoitetaan ylempään: Loppuosan pisteytys: tämä tai jokin muu toimiva ratkaisumenetelmä 2p, ratkaisuun johtavat välivaiheet 2p, loppuun saatettu ratkaisu 1p. Näpyistä ei vähennyksiä, paitsi jos lopputulos on selvästi väärin (esim m-%=80 %), eikä sitä ole huomattu (-1p). Tehtävä 8. (10p) Kysteiinin pk a1 (COOH)=2,05, pk a2 (SH)=8,00 ja pk b3 (NH 2 )=3,75. a) Missä muodossa kysteiini on elimistön ph:ssa (piirrä)? 10

11 b) Kysteiinin liukoisuus veteen on noin 242 g/l. Mikä on kylläisen liuoksen konsentraatio? c) Hahmottele kysteiinin titrauskäyrä, kun 10 ml kylläistä kysteiiniliuosta titrataan 2 M NaOHliuoksella, kunnes titrauskäyrässä ph ei enää muutu. a) Aminoryhmän pk a on 14-3,75=10,25. ph=7,4 <10,25 joten aminoryhmä on vastaanottanut protonin (1p). ph=7,4 > 2,05, joten karboksyylihapporyhmä on luovuttanut protonin. (1p). Jos tioliryhmä merkitty protonoituneeksi, -1p. b) (1p) c) Kysteiinin karboksyylihapporyhmän pk a arvo on kohtuullisen suuri, ja kylläinen liuos on erittäin väkevä, joten voidaan olettaa ph:n olevan titrauksen alussa hyvin hapan (jos laskettu pk a1 avulla, ph 0,88, ok). Ekvivalenttinousut titrauskäyrässä ovat kohdissa, joissa NaOH-liuosta on kulutettu kunkin muodon neutralointiin tarvittava määrä. Koska c(kys) c(naoh), nousut ovat kohdissa 10 ml, 20 ml ja 30 ml NaOH. (vaihtoehtoinen tapa on käyttää x-akselilla NaOH:n suhteellista osuutta (n(naoh):n(kys)), jolloin nousut ovat kohdissa 1, 2 ja 3 ). Ekvivalenttipisteiden välissä käyrässä on puskurialue, jolloin ph voidaan laskea kaavasta. Kun happoa ja sen anionia on yhtä paljon,. 11

12 ph V (NaOH) [ml] Pisteytys: Tilavuudet ekvivalenttipisteille (tai ainemäärien suhde) laskettu oikein: 2p. Jos kysteiiniliuoksen konsentraatio laskettu väärin b-kohdassa, tässä ei vähennyksiä. 3 nousua: 2 p Puskurialueilla oikeat ph:t 3p Tehtävä 9. (10p) Vastaa jokaiseen kohtaan perustellen sanallisesti ja/tai piirtäen. a) Kaksi kysteiiniä voivat reagoida hapettavissa olosuhteissa keskenään muodostaen rikkisillan. Mikä orgaaninen pääreaktiotyyppi on kyseessä? b) Onko kysteiini optisesti aktiivinen molekyyli? c) Mikä on peptidisidos? d) Mitkä ovat proteiinien avaruusrakenteen eri tasot? a) Kondensaatioreaktio (1p). Kondensaatioreaktiossa 2 molekyyliä yhdistyy, ja sitoutumiskohdasta lohkeaa pieni molekyyli (selitys tai kuva 1p). Jos pelkkä hapettuminen mainittu 0,5 p. b) On, sillä kysteiinissä on kiraalinen (4 eri substituenttiryhmää) hiili (1p). Piirros, johon merkitty kiraalinen hiili esimerkiksi tähdellä (1p). 12

13 c) Peptidisidos syntyy kahden aminohapon välille. Sidos muodostuu aminopään ja karboksyylihappopään reagoidessa, sidoskohdasta lohkeaa vettä (selitys tai hyvä havainnekuva 2p) d) Primäärirakenne: aminohappojärjestys tai sekvenssi sekundäärirakenne: aminohappoketjun kietoutuminen α-helix-kierteelle tai β-laskoksille pääketjun vetysidosten sitomana tertiäärirakenne: aminohappojen sivuketjujen väliset sidokset (vetysidokset, rikkisillat, van der waalsin voimat, ionisidokset ) sitovat ketjun osat löyhästi toisiinsa esimerkiksi pallomainen muoto kvaternäärirakenne: useampien polypeptidiketjujen liittyminen löyhästi toisiinsa) Rakenteiden nimet lueteltu 2p, selitetty 2p (pelkät kuvat sanallisen selityksen sijasta vain 1 p). Esimerkkikuva: 13

14 14