Oulun yliopiston biokemian tutkinto-ohjelman valintakoe 19.5.2017 Nimi: Ota henkilötodistus mukaasi jättäessäsi vastauspaperin. Kysymyksiin vastataan suomeksi. Osa 1 Aineistotehtävä. Vastaa vain varattuun tilaan; vastauslaatikon ulkopuolisia kuvia tai tekstiä ei hyväksytä vastaukseksi. Tämän osion vääristä vastauksista EI tule miinuspisteitä. Tehtävä 1. Tämä tehtävä käsittää sivut 1-4. Vastaa tehtäviin valintakoekirjan, lukion biologian tietojesi ja oheisen tekstin tietojen pohjalta kysymyksiin A-F. Kysymyksiin vastataan suomeksi, vaikka osa annetusta aineistosta on englanniksi. Alla oleva teksti on Nobel-palkintojen luovutustilaisuudessa pidetty puhe, jolla on esitelty fysiologian ja lääketieteen palkinnon saajat prof. Michael Brown ja prof. Joseph Goldstein ja heidän työnsä. Vastaa sivuilla 3-4 oleviin kysymyksiin tekstin tai valintakoekirjan perusteella. (9 p) Award Ceremony Speech Presentation Speech by Professor Viktor Mutt of the Karolinska Institut, December 10, 1985 Translation from the Swedish text Your Majesties, Your Royal Highnesses, Ladies and Gentlemen, At the meeting of the French Academy of Sciences on August 26, 1816, the chemist Michel Chevreul suggested that a substance, with fat-like properties, discovered some decades previously in gallstones (sappikivet) by physicians in France and in Germany, should be named cholesterine, from the Greek: chole, bile (sappi), and stereos, solid. Cholesterin, or cholesterol, as it later came to be called, proved not to be confined to gallstones but to occur also in all organs in humans as in all vertebrates and to be a substance of vital importance for them. It participates in the formation of various cellular membranes and is a substance necessary for the synthesis of bile acids (of importance for digestion) and of the vitally important stereoid hormones. For their elucidation of the complicated structures of cholesterol and of bile acids, Wieland and Windaus were awarded a Nobel Prize in 1928. Cholesterol is of vital importance but may also be deleterious, and far more so than by causing gallstones. Since the middle of the nineteenth century it has been known that in atherosclerosis, cholesterol, or rather cholesterol esters, accumulate in high concentrations in the lesioned areas of the blood vessels, and since the late 1930s a specific inheritable disease, familial hypercholesterolemia, has been recognized, with greatly increased concentrations of cholesterol in the blood, and severe alterations in the normal structure of blood vessels. 1
Cholesterol is almost insoluble in water. Its solubility in blood plasma is - like other lipids - due to its being packaged into submicroscopic spherical particles with completely hydrophobic components inside, surrounded outside by a mosaic layer of less hydrophobic ones, such as phospholipids and protein. Such particles are called lipoproteins. Cholesterol occurs mainly in a type of lipoproteins called low density lipoproteins, LDL. Not all organisms require cholesterol, and some which do so, such as insects, are incapable of producing it by themselves and are, therefore, entirely dependent on dietary sources for it. The mammalian cell, however, is capable of producing its own cholesterol, but it also obtains dietary cholesterol by way of the blood. Schoenheimer's investigations from the 1930s suggested that there was some kind of equilibrium between the amount of cholesterol which the cell itself synthesized and that which it obtained from the diet. How this equilibrium was maintained was, however, completely unknown, as was the cause of the highly increased blood cholesterol concentrations in familial hypercholesterolemia. The complicated mechanism for the cellular synthesis of cholesterol had, however, been elucidated, and investigations in this field by Bloch and by Lynen had in 1964 been recognized by a Nobel Prize. In elegant and systematic investigations - always in collaboration - the laureates of this year studied cholesterol metabolism in cultures of connective tissue cells from healthy persons and from patients with familial hypercholesterolemia, either without or with the addition of blood serum, and thereby cholesterol, to the culture medium. They made the surprising discovery that whereas cells from healthy persons had on their surfaces specific structures, receptors, for the binding of LDL, cells from the patients had either no such receptors or else decreased numbers of them, depending on whether the patient had acquired the disease from both parents or from only one. Equally surprising was the finding that the LDL, after being bound to the receptor moved together with the latter into the interior of the cell. There, the receptor was set free and returned to the cell surface, where it could again bind LDL. The LDL particle on the other hand disintegrated into its components, and the cholesterol thus released was found to have different functions: it contributed to meeting the requirements of the cell for cholesterol; it decreased the synthesis by the cell of endogenous cholesterol by suppressing the activity of a key enzyme, named HMG CoA reductase, for such synthesis; it decreased the number of LDL receptors and thereby the influx of more LDL; and it activated an enzyme in the cell which converts excessive cholesterol into a suitable storage form. The knowledge thus acquired concerning the normal intracellular metabolism of cholesterol, the "LDL pathway", has given not only insights into the causes of genetically determined rearrangements in cholesterol metabolism where, i.a. various defects in receptor structures have been revealed, but also insights into severe and common disease states where the amount of cholesterol in the diet may play a role. This suggests possibilities for the development of methods for treatment and prevention. Research on cholesterol has been in continuous progress for two centuries and contains several fascinating chapters by eminent scientists. The chapter that this year's laureates have contributed is one of the most fascinating. 2
Professor Brown, Professor Goldstein, In elegant and systematic studies you have discovered a physiological mechanism of great importance: the way in which mammalian cells strive to establish an equilibrium between their own synthesis of cholesterol and the cholesterol they obtain from the circulating blood influenced by diet. You have also elucidated important genetically determined aberrations from this mechanism. This knowledge forms a rational basis for development of methods for the treatment and prevention of the widespread disabling diseases known to be a consequence of dearrangement in plasma cholesterol concentrations. You have also demonstrated something else: how successful cooperation can be a principle that should perhaps be more widely applied, both in science and in other areas of human endeavour. As a representative of the Nobel Assembly of the Karolinska Institute, I convey to you the sincere congratulations of the Assembly and ask you now to receive your Prize from the hands of His Majesty the King. From Nobel lectures Physiology or Medicine 1981-1990, Editor-in-Charge Tore Frängsmyr, Editor Jan Lindsten, World Scientific Publishing Co., Singapore, 1993 Vastaa seuraaviin kysymyksiin A. Mihin nisäkkäät tarvitsevat kolesterolia? Kolesteroli on solukalvojen rakennusaine ja sitä valmistetaan sappihapot ruoansulatukseen sekä steroidihormonit. s. 150, 153-154 B. Mitä ongelmia kolesteroli voi aiheuttaa ihmiselle? Aiheuttaa sappikiviä ja korkeat kolesterolipitoisuudet verenkierrossa johtavat kolesterolin kertymisen verisuonten seinämiin eli ateroskeroosiin s. 153 3
C. Miten kolesterolia kuljetetaan verenkierrossa? Miksi? Lipidi kuten kolesteroli ovat veteenliukenemattomia ja siksi kuljetetaan plasmassa lipoproteiineina. Lipoproteiinipartekkeleissa täysin hydrofobiset yhdisteet kuten kolesteroli ja triasyyliglyseroli ovat partikkeleiden sisällä ja ulkopinnan muodostavat vähemmän hydrofobiset komponentit kuten fosfolipidit ja proteiinit. Kolesterolia kuljetetaan low densitity lipoproteiinina (LDL). s. 151 D. Miten nisäkässolut saavat kolesterolia? Valmistamalla itse ja ruoan kolesterolia verenkierron kautta. (vain tekstissä) E. Mistä familiaarinen hyperkolesterolemia johtuu? LDL-reseptorit solun pinnalla puuttuvat joko kokonaan tai niiden määrä on laskenut TAI LDL-reseptorit puutuvat tai ne eivät toimi oikein. s.153 F. Miten LDL-reseptori toimii? Solun pinnalla oleva LDL-reseptori tunnistaa LDL-hiukkasen apoproteiinin. Tunnistuksen seurauksena lipoproteiini ja reseptori siirtyvät solun sisään endosytoottisissa rakkuloissa, joissa lipoproteiinihiukkanen purkautuu ja reseptori irtoaa sekä palaa solun pinnalle. s.151-152, kuvat 4-47 ja 7-11 4
Osa 2 Tehtävät 2-7. Valitse oikea vaihtoehto. Valitse ympyröimällä yksi oikea vaihtoehto A-E. Oikea vastaus antaa 1p. Väärä, useampi kuin yksi tai tyhjä vastaus 0p. Maksimipisteet tästä osiosta on 6 p. Tehtävä 2. Mikä seuraavista proteasomiin liittyvistä väitteistä on väärin. A. Proteasomissa hajoitetaan virheellisesti laskostuneita elimistön omia proteiineja B. Proteasomi on entsyymiyhdistelmä C. Proteasomissa hajoitettavaan proteiiniin lisätään ubikitiiniä D. Proteasomeissa hajoitettava proteiini pilkotaan peptideiksi E. Proteasomissa muodostuu klatriiniproteiinin peittämä rakkula OIKEIN E, s. 200-202 Tehtävä 3. Mikä seuraavista ei ole mikrotubulusten keskeisiä tehtäviä A. Värekarvojen liikkeen syntyminen B. Hormonien kuljetus kohdekudokseen C. Soluorganellien kuljetus D. Solun sisäinen rakkulaliikenne E. Solun jakautuminen OIKEIN B. s. 211-212 Tehtävä 4. Aitotumallisten solujen mitokondrioissa tapahtuu useita biokemiallisia prosesseja. Siellä tapahtuu mm. A. Pyruvaatin hapetus, trikarboksyylihappokierto, rasvahappojen hapetus, oksidatiivinen fosforylaatio B. Glykolyysi, pentoosifosfaattireitti, glykogeenin hajottaminen ja synteesi, glukoneogeneesi, proteiinisynteesi, rasvahappojen synteesi C. Lipidien biosynteesi, rasvahappojen pidentäminen ja desaturaatio D. Proteiinien glykosylointi E. Ribosomaalisen RNA:n synteesi OIKEIN A s. 96, taulukko 3-2 5
Tehtävä 5. Rasvahappojen hapetuksessa syntyy A. Pyruvaattia B. Eikosanoideja C. Fruktoosi-6-fosfaattia D. Malonyyli-koentsyymi A:ta E. Asetyyli-koentsyymi A:ta OIKEIN E, s. 106 Tehtävä 6. Mikä seuraavista sidoksista on kovalenttinen A. Vetysidos B. Hydrofobinen vuorovaikutus C. Disulfidisidos D. Ionisidos E. Ei mikään edellämainituista OIKEIN C, s. 64 Tehtävä 7. Geenit ovat A. RNA-juosteen toiminnallisia yksikköjä, jotka koostuvat eksoneista ja introneista B. DNA-juosteen jaksoja, joihin ribosomi kiinnittyy C. DNA:n toiminnallisia jaksoja, joista tieto proteiinin primäärirakenteesta siirtyy eteenpäin D. RNA:n nukleotidijärjestystä vastaava proteiinin aminohappojärjestys E. RNA:n toiminnallisia jaksoja, joissa geneettinen informaatio periytyy OIKEIN C, s. 46, 64 6
Osa 3 Muut tehtävät. Vastaa vain varattuun tilaan; vastauslaatikon ulkopuolisia kuvia tai tekstiä ei hyväksytä vastaukseksi. Tämän osion vääristä vastauksista EI tule miinuspisteitä. Tehtävä 8. Selitä lyhyesti (3p) A. Nonkompetitiivinen inhibiittori Entsyymin inhibiittori, joka sitoutuu entsyymiin saaden aikaan muutoksen entsyymin aktiivisen kohdan toiminnassa, mutta sitoutuminen ei tapahdu aktiiviseen kohtaan vaan muualle molekyylissä s. 76 B. Biologisen kalvon perusrakenne Amfipaattisten lipidien muodostama kaksoiskerros, jossa hydrofobiset osat vastakkain s. 162 C. Entsyymin toimintaperiaate Vähentää katalysoimansa reaktion aktivaatioenergiaa s. 23. kuva 1-10 7
Tehtävä 9. Molekyylien tunnistus. Molekyylien (A-H) nimet on annettu keskellä sivua. Kirjoita molekyylin kuvan vieressä olevaan laatikkoon kirjaimella (A-H) mistä molekyylistä on kyse, sekä kerro lyhyesti molekyylien 5, 6, 7 ja 8 pääasiallinen tehtävä elimistössä. (4p) 1) 2) 3) E. Glukoosi s.32 G. Maltoosi s.34 A. ADP s.14 4) 5) B. Alaniini s.54 6) A. ADP B. Alaniini C. ATP D. camp E. Glukoosi F. Hemi B G. Maltoosi H. Triasyyliglyseroli C. ATP s.14 7) 8) energian välittäjänä anabolisten ja katabolisten reaktioiden välillä s.14 D. camp s.52 solun sisäinen viestimolekyyli s.52 H. Triasyyliglyseroli s.37 F. Hemi B s.59 rasvojen varastomuoto/rasvat toimivat elimistön energiavarastona s.36 sitoo happea hemoglobiinissa s.59 8
Tehtävä 10. Proteiinien rakennetasot (5) p A. Nimeä proteiinien rakennetasot ja selitä ne lyhyesti Primäärirakenne: aminohappojärjestys Sekundäärirakenne: polypeptidiketjun paikalliset laskokset ja kiertymät Tertiäärirakenne: sisältää proteiinin primäärirakenteen ja useita sekundäärirakenne elementtejä, lisäksi vuorovaikutuksia aminohappojen sivuketjujen välillä Kvaternäärirakenne: Alayksiköiden järjestäytyminen useita alayksiköitä sisälävissä proteiineissa s.56-66 B. Mihin proteiinien rakennetasoon kukin seuraava termi liittyy Random coil Motiivi α-kierre Sekundääri s.63 Primääri s.65 Sekundääri s.58 Aminohappojärjestys Primääri s. 58 9
Tehtävä 11. Täydennä taulukko. Nimeä RNA-molekyyli sen tehtävän perusteella tai selitä sen tehtävä solussa (2p) RNA-Molekyyli rrna Tehtävä Informaation siirto DNA:lta ribosomeille Aminohappojen siirto sytoplasmasta ribosomeille sirna lähetti-rna Vastaukset: siirtäjä-rna ribosomien rakenneosa geenien ilmaisun säätö s. 43, s. 79 10
Tehtävä 12. Selvitä mikä merkitys seuraavilla asioilla on geenien ilmentymisessä (4p) A. Promoter- eli säätelyalue sisältää kiinnittymiskohtia säätelyproteiineille s 182 B. RNA polymeraasi II valmistaa lähetti-rna esiasteet ja lisäksi pieniä RNAmolekyylejä s. 182 C. TATA -laatikko Perustranskriptiotekijöiden sitoutumiskohta s. 182 D. Histoni-proteiinit Pakkaavat DNA:ta ja säätelevät geenien luettavuutta s. 186 11
Tehtävä 13. Tutkija on kiinnostunut mitokondrioista ja haluasi eristää niitä hiiren maksasta. Kuinka eristys tapahtuu ja miten varmennetaan, että saatu näyte sisältää mitokondrioita? Voiko näytteessä olla muita soluorganelleja ja miten tämä saadaan selville? (4p) Hiiren maksa paloitellaan pieniksi paloiksi ja näyte homogenisoidaan, jolloin solut särkyvät. Saatua materiaalia sentrifugoidaan ensin hitaammilla kierroksilla (n. 600 x g, vähemmän keskipakoisvoimaa), jolloin raskaimmat osat painuvat sentrifuugiputken pohjalle sakaksi. Sakan päällä oleva liuos (supernatantti) otetaan talteen ja sentrifugoidaan kovemmalla keskipakoisvoimalla (15 000 x g), jolloin edellisessä vaiheessa liuokseen jääneistä raskaimmat painuvat pohjalle. Supernatantti poistetaan ja mitokondriot ovat nyt sakassa. Oikean fraktion selvittämiseksi mitataan niistä jonkun tunnetun merkkimolekyylin aktiivisuus/määrä. Mitokondrioille esim. sukkinaattidehydrogenaasi tai jokin muu hengitysketjun entsyymi. Mitokondriofraktio voi sisältää myös lysosomeja ja peroksisomeja. Niiden olemassa olo voidaan tarkistaa mittaamalla merkkimolekyylin aktiivisuus/määrä. Peroksisomeille merkkimolekyylinä voi toimia katalaasi ja lysosomeille lysosomeihin liittyvä kalvoproteiini 2 (LAMP2). s. 86-87 12
Tehtävä 14. Alla on kuva tärkeästä aineenvaihduntareitistä. Vastaa kysymyksiin A-D sivuilla 13 ja 14. (6p) A. Mikä reitti on kyseessä? Trikarboksyylihappokierto / sitruunahappokierto / Krebsin sykli s. 109, kuva 4-11 13
Tehtävä 14 jatkuu B. Mitkä ovat tämän reitin tehtävät? Asetyyliryhmän hapettuminen ja tarjota lähtöaineita moniin biosynteettisiin reaktioihin (kuten aminohappojen biosynteesiin, rasvahapposynteesiin ja glukoneogeneesiin). s. 108-109 C. Missä se tapahtuu eukaryoottisoluissa? Mitokondrioiden matriksissa, s. 109 D. Mitkä asiat vaikuttavat/rajoittavat sen toimintaa? Hapen puuttuessa pelkistyneet elektronin siirtäjät NADH ja FADH 2 eivät pääse hapettumaan siirtämällä elektroneja elektroninsiirtoketjuun ja sitruunahappokierto pysähtyy hapettuneiden koentsyymien puutteeseen. Kierron toiminta riippuu myös siitä, onko kierron aloittavaa oksaaliasetaattia ja muita välituotteita riittävästi saatavilla. S. 110 14
Tehtävä 15. Kuvassa on kaavakuva Na + -kanavan aukeamismekanismista. Valitse tekstistä ympyröimällä tummennetuista ja alleviivatuista oikea vaihtoehto. (2p) s.179, s.57 OIKEIN VAIHTOEHDOT pienenee, depolarisoituu, polarisoitunut, konformaatiomuutos Hermosolun Na + -kanava on tunnettu esimerkki kalvopotentiaalin säätämistä ionikanavista. Kanava on valikoiva Na + :lle ja mahdollistaa suuren ionivirtauksen. Kanava aukeaa kun kalvopotentiaali pienenee/suurenee/pysyy ennallaan yli 1ms. Tällöin kalvo renaturoituu/polarisoituu/depolarisoituu. Auettuaan kanava sulkeutuu automaattisesti jälleen ja inaktivoituu, joten se pysyy auki vain millisekunteja. Ylemmässä kuvassa kalvo on polarisoitunut/depolarisoitunut/regeneroitunut. Depolarisaatio johtaa tiettyjen positiivisesti varattujen α-kierteiden siirtymiseen lähemmäksi kalvon ulkopuolista osaa. Tämä liike välittyy ionikanavaa ympäröiviin osiin (ns. inaktivaatioporttiin), joiden denaturaatio/diffuusio/konformaatiomuutos avaa ionikanavan. 15