Lääketieteellisten tiedekuntien pääsykokeen vastausanalyysi 2015 Biologia Petri Ojala, FM Lahden lyseo Tehtävä 1. a) Elektronimikroskooppikuva soluelimistä Kuvassa on mitokondrio 1. Rakenteessa 1. tapahtuu veden fotolyysi --- tapahtuu viherhiukkasissa yhteytyksessä, ei mitokondrioissa, eikä soluhengityksessä 2. Rakenteessa 1. tapahtuu hiilidioksidin pelkistyminen: Soluhengityksen lopputuotteena on hiilidioksidi ja vesi. Pelkistyminen tapahtuu alkuaineille niiden vastaanottaessa elektroneja toiselta alkuaineelta 3. Rakenteessa 2. hiilidioksidi pelkistyy sokeriksi: Mitokondrioissa ei muodostu sokeria, vaan se päinvastoin hajoaa 4. ADP:tä fosforyloidaan rakenteessa 1.: OIKEIN. Suurin osa sokerin sidosenergian sitomisesta ATP-molekyyleihin tapahtuu mitokondrion sisäkalvostolla kun ADP-molekyylejä muutetaan (oksydatiivisen) fosforylaation avulla ATPmolekyyleiksi 5. Rakenne 3. sisältää mm. ATP:tä: OIKEIN. Mitokondrion ulkopuolella näkyy karkeaa solulimakalvostoa, jossa tapahtuu proteiinisynteesiä. Proteiinisynteesi on anabolinen reaktio ja kuluttaa runsaasti energiaa b) Eliökunnan kehityksestä tiedetään, että 6. Selkäjänteisten kehitys alkoi noin 250 miljoonaa vuotta sitten. Selkäjänteiset on yksi eläinkunnan pääjaksoista. Varhaisimmat selkäjänteiset ovat löytyneet yli 500 miljoonaa vuotta vanhoista kerrostumista 7. Sammakkoeläimet ilmaantuivat elämän vanhalla ajalla: OIKEIN Elämän vanha aika = 542 – 250 miljoonaa vuotta sitten. Vanhimmat tunnetut sammakkoeläinten fossiilit on ajoitettu lähes 400 miljoonaa vuotta vanhoiksi 8. Ensimmäisiä sikiökalvollisia olivat linnut. Myös matelijoilla, joista linnut ja nisäkkäät ovat kehittyneet, on sikiökalvot 9. Avoin verenkiertojärjestelmä on tyypillinen hyönteisille: OIKEIN 10. Eläinkunnan kaikkien pääjaksojen ensimmäiset edustajat ilmaantuivat noin 500 miljoonaa vuotta sitten OIKEIN - ns. Kambrin räjähdys tapahtui 530 – 542 miljoonaa vuotta sitten c) Oheinen sukupuu esittää ABO-veriryhmän periytymistä. Mikä tai mitkä seuraavista henkilöistä ovat ABO-veriryhmätekijän suhteen homotsygootteja? 11. Henkilö 2: --- ei voi olla, koska jälkeläinen (7) on veriryhmältään O-, jonka ainoa mahdollinen genotyyppi on ii, eli Overiryhmän resessiivinen alleeli on täytynyt periytyä molemmilta vanhemmilta 12. Henkilö 3: OIKEIN/VÄÄRIN. Tosin sukupuun mukaiset jälkeläiset voisivat syntyä myös heterotsygoottisella IAi –perimällä. Todennäköisyys olisi kuitenkin vain 6,25 % 13. Henkilö 4. Ei voi olla, koska jälkeläisissä on A-veriryhmään kuuluvia jälkeläisiä. Homotsygoottinen genotyypiltään IBIB Henkilö voisi saada vain veriryhmiin B- tai AB- kuuluvia jälkeläisiä. Jälkeläisissä on kuitenkin A-veriryhmään kuuluvia 14. Henkilö 7. OIKEIN. O-veriryhmän ainoa genotyyppi ii 15. Henkilö 13. OIKEIN. Pariskunnan 8. ja 9. molemmat jälkeläiset (13. ja 14.) ovat homotsygoottisia Genotyyppi Fenotyyppi eli veriryhmä ii O IA IA IA i IB IB IB i IA IB A A B B AB d) Suot ovat tärkeitä ekosysteemejä 16. Soiden ojittaminen saa aikaan elohopean kertymistä lähivesistöihin: OIKEIN. Elohopea liukene heikosti puhtaaseen veteen, mutta soiden humus-pitoiseen happamaan veteen se liukenee helposti. 17. Aktiivinen hajotustoiminta tekee soista tehokkaita hiilinieluja: Hajotustoiminnassa tapahtuu soluhengitystä, joka vapauttaa hiiltä, lisäksi soiden hajotustoiminta on mm. alhaisen happipitoisuuden vuoksi hidasta 18. Suot eivät ole tärkeitä hiilinieluja, koska niissä on suhteellisen vähän kasvillisuutta: Suot ovat merkittäviä hiilinieluja juuri hitaan hajotustoiminnan ansiosta 19. Alkuvaiheessa suon kuivaaminen lisää hiilidioksidipäästöjä, koska hajottajien toiminta voimistuu: OIKEIN Suon kuivuessa hajottajien happitilanne paranee ja hajotustoiminta kiihtyy ja hiilidioksidia vapauttava soluhengitys lisääntyy. 20. Soiden kuivattaminen vähentää metaanipäästöjä: OIKEIN. Happitilanteen paraneminen vähentää mätänemistä ja siinä syntyvän metaanin muodostumista e) Heteroosi - Saman lajin sisällä risteytetään kaksi geneettisesti mahdollisimman erilaisia yksilöitä 21. Heteroosilla tarkoitetaan lajien välistä riippuvuussuhdetta 22. Heteroosilla tarkoitetaan lajien välistä geneettistä muuntelua Lajin sisäinen muuntelu on heteroosin edellytys, mutta ei tarkoita sitä 23. Heteroosi-termillä viitataan X- ja Y-kromosomien väliseen kokoeroon 24. Heteroosi voidaan saada aikaan risteyttämällä saman lajin perimältään erilaisia itsesiitoslinjoja keskenään: OIKEIN. Itsesiitoksella voidaan lisätä homotsygotiaa linjojen sisällä. Kun erilaiset linjat risteytetään myöhemmin, saadaan aikaan heteroosia. 25. Heteroosi on vastakohta homotsygotialle ja sille on ominaista hybridien elinvoima: OIKEIN Edulliset alleelit ovat useimmiten dominoivia ja niiden vaikutus tulee esille heteroosissa 26. Sisäsiitos vähentää heteroosia: OIKEIN f. DNP:tä (2,4-dinitrofenoli) käytetään teollisuudessa esimerkiksi väriaineiden, lahonsuoja-aineiden ja räjähteiden lähtöaineena sekä kasvi- ja hyönteismyrkkynä. Aikaisemmin sitä käytettiin myös laihdutuslääkkeenä ”rasvojen polttamiseen” Edellä esitetyn ja aiemman tiedon perusteella voidaan päätellä, että 27. Tyroksiini saa aikaan irtikytkijäproteiinien tuotannon sitoutumalla omiin solukalvoreseptoreihinsa: Kilpirauhashormonien reseptorit ovat tumassa 28. DNP vähentää solujen ATP-tuotantoa inhiboimalla sitruunahappokierron entsyymejä Ei inhiboi sitruunahappokiertoa, vetyionien vuotaminen estää elektroninsiirtoketjun toimintaa. 29. DNP:llä käsitellyt solut voivat tuottaa ATP:tä glykolyysin avulla: OIKEIN Glykolyysi tapahtuu solulimassa mitokondrioiden ulkopuolella 30. DNP:n irtikytkentävaikutus voi johtaa energiankulutuksen lisääntymiseen: OIKEIN, solujen energiantarve ei vähene, vaikka ATP:n tuotanto vähenee ja ATP-tuotannon heiketessä glukoosia tarvitaan enemmän vastaavan ATP-määrän saamiseksi 31. Tyroksiinin aikaansaamalla irtikytkijävaikutuksella viitataan sitruunahappokierron ja elektroninsiirtoketjun väliseen häiriöön Häiriö elektroninsiirtoketjussa g) Jäteveden puhdistuksen biologisissa vaiheissa 32. Käytetään enimmäkseen aerobisia olosuhteita: OIKEIN - Nitrifikaatiobakteerien avulla ulosteiden sisältämät ammoniumyhdisteet muuttuvat nitraatiksi 33. Käytetään ferrosulfaattisaostusta Ferrosulfaattisaostus on kemiallista puhdistusta 34. Allasta hapetetaan, jotta ferrosulfaattisaostus nopeutuisi Kyllä hapetetaan, mutta edelleen kyse on kemiallisesta, ei biologisesta puhdistuksesta ja sillä tehostetaan aerobisten nitrifikaatiobakteerien toimintaa 35. Hyödynnetään tehokkaasti biologista typensidontaa. Biologisessa typensidonnassa ilman typpikaasua muutetaan ammonium-yhdisteiksi. Vedenpuhdistuksessa tavoite päinvastainen 36. Hyödynnetään alkueläimiä orgaanisen jätteen hajottamisprosesseissa: OIKEIN Alkueläimet tosin ovat tumallisia ja jäteveden biologinen puhdistus taas tapahtuu bakteerien toimesta h) Ihmisyksilön kehitys hedelmöittyneestä munasolusta (tsygootista) alkio- ja sikiövaiheiden kautta käsittää mm. elinten muodostumisen. Ihmisen sydän muistuttaa kehityksensä alkuvaiheessa kalan sydäntä, minkä vuoksi voidaan todeta, että: 37. Ihmisalkion putkimaisessa kehitysvaiheessa oleva sydän pumppaa verta hapetettavaksi kehittyvään istukkaan, josta veri kiertää takaisin sydämeen: OIKEIN 38. Ihmisalkion putkimaisessa kehitysvaiheessa olevassa sydämessä on vain yksi eteinen ja yksi kammio: OIKEIN 39. Ihmisalkion sydän alkaa sykkiä alkion ollessa noin kolmen viikon ikäinen. OIKEIN 40. Ihmisalkio ei ole vielä sydämen sykkeen käynnistyessä kiinnittynyt kohdun limakalvoon Kiinnittyminen tapahtuu jo noin viikon kuluttua hedelmöityksestä 41. Sikiön verenkierrossa on väliaikainen yhteys keuhkolaskimon ja aortan välillä Yhteys on eteisten sekä keuhkovaltimon ja aortan välillä i) Taulukon ja aiemman tiedon perusteella voidaan päätellä, että 42. albumiini toimii hydrofobisten yhdisteiden kantajamolekyylinä. OIKEIN 43. taulukon yhdisteet voivat soluissa aktivoida estogeenireseptorivälitteisiä vasteita vasta sitten, kun ne ovat vapautuneet albumiinista. OIKEIN 44. vapauduttuaan albumiinista taulukon yhdisteet sitoutuvat solukalvolla sijaitseviin reseptoreihinsa. 45. bisfenoli A pystyy syrjäyttämään DDT:tä sitoutumisessa estrogeenireseptoriin, kun oletetaan, että ligandien pitoisuudet ovat samat ja ne kilpailevat samoista reseptoripaikoista. OIKEIN 46. kun DDT sitoutuu estrogeenireseptoriin, se voi esimerkiksi naarashiirillä saada aikaan kohdun limakalvon paksuuntumisen. OIKEIN 47. bisfenoli A ja DDT eivät läpäise istukkaa. j) Neurofysiologisissa tutkimuksissa on voitu osoittaa, että: 48. Hermoimpulssin eteneminen ”kaikki tai ei mitään” –periaatteella varmistaa, että jos impulssi syntyy, se pääsee esteettä siirtymään hermosolusta toiseen: Hermosolujen välissä on synapsirako, jonka yli impulssin täytyy siirtyä välittäjäaineiden välityksellä. Impulssin kulku ei myöskään välttämättä jatku seuraavassa hermosolussa inhiboivien synapsien vaikutuksesta 49. Isoaivojen noin 25 mm. paksuinen kuorikerros vastaa mm. tahdonlaisten liikkeiden säätelystä: Isoaivojen kuorikerros on huomattavasti ohuempi (noin 3 mm) 50. Ihminen voi vaikuttaa hermosolujen rakenteeseen omalla tietoisella toiminnallaan. OIKEIN mm. Uuden oppiminen aiheuttaa uusien synapsiyhteyksien syntymistä. Ihminen voi myös hidastaa hermoyhteyksien katoamista vanhetessaan. 51. Lisämunuaisen kuoresta verenkiertoon erittyvä adrenaliini on tärkein sydämen sykettä kiihdyttävä tekijä Adrenaliini erittyy lisämunuaisen ytimestä 52. Kyynärvarren koukistusrefleksi voidaan estää sympaattisen hermovälittäjäaineen toiminnan estäjillä OIKEIN Osa C q. Kuinka suuri osa 25–64-vuotiaista suomalaisista miehistä oli normaali- tai alipainoisia vuonna 2012? 83. 43,7 % 84. 79,6 % 85. 13,3 % 86. 66,3 % 87. 33,7 % Oikein: aineiston mukaan miehistä BMI vähintään 25 kg / m2 66,3 %  100 – 66,3 = 33,7%) r. Mikäli lihavien naisten osuuden kasvuvauhti pysyy samana kuin aikavälillä 2007–2012, mikä on lihavien osuus naisista vuonna 2020? 88. 19,4 % 89. 19,7 % 90. 20,1 % Oikein 91. 23,3 % 92. 22,5 % 20,1 % (2007 – 2012 BMI vähintään 30 kg / m2 osuus 18,3 –> 19 % = 0,14 % / v 8 vuodessa 0,14 % / vuosi = 1,12 % 1,12% + 19 = 20,12 % Tehtävä 4. 1. Glukagoni nostaa verensokeria vapauttamalla glukoosia verenkiertoon maksan ja lihasten glykogeenistä VIRHEELLINEN - Lihaksista ei vapauteta glukoosia verenkiertoon 2. Insuliini tehostaa glukoosin imeytymistä ohutsuolessa GLUT4-kuljettajaproteiinin välityksellä VIRHEELLINEN - Insuliini vaikuttaa glukoosin pääsyyn soluihin, mutta ei vaikuta imeytymiseen ruuansulatuksesta. ”Glukoosi siirtyy ohutsuolen ja munuaistiehyen epiteelisoluihin natriumavusteisesti, mutta muualla elimistön soluihin GLUTkuljettajaproteiinien (glukoosikuljettimien) kautta” 3. Insuliinin puute aiheuttaa ketoaineiden muodostumista, mikä johtaa elimistön happamoitumiseen. OIKEIN - Insuliinin puutteessa glukoosi ei pääse soluihin. Tällöin käynnistyy ketoaineenvaihdunta. Ketoosissa muodostuu mm. asetoasetaattia, joka aiheuttaa pH:n laskua 4. Glukagonin glukoneogeeniseen vaikutukseen kuuluu glukoosin muodostuminen myös rasvakudoksessa VIRHEELLINEN ”Kun ateriasta kuluu lisää aikaa ja verensokeri laskee edelleen, käynnistyy kaksi tasapainottavaa mekanismia: glykogenolyysi (glykogeenin pilkkoutuminen glukoosimolekyyleiksi) ja glukoneogeneesi (glukoosin muodostus laktaatista, aminohapoista ja glyserolista). Molempia tapahtuu maksassa, mutta glukoneogeneesiä uudempien tutkimusten mukaan merkittävässä määrin myös munuaisissa”. 5. Insuliinin, glukagonin ja adrenaliinin vaikutukset välittyvät soluihin tumassa olevien reseptorien välityksellä VIRHEELLINEN - Kaikki ovat vesiliukoisia, joten reseptorit ovat solukalvolla 6. Terveellä ihmisellä veren glukoosipitoisuuden lasku johtaa GLUT4-kuljettimien vähenemiseen solukalvolla OIKEIN ”Insuliinipitoisuuden lasku käynnistää GLUT4-kuljettajaproteiinien siirron solunsisäisiin kalvorakkuloihin” - verensokerin lasku taas laskee insuliinipitoisuutta 7. Haiman insuliinierityksen aktivoituminen verensokerin noustessa tapahtuu GLUT2-kuljettimien välityksellä, mutta GLUT4kuljettimet liittyvät insuliinin eritykseen. OIKEIN 8. Haiman insuliinierityksen aktivoitumiseen liittyy beta-solujen kalvojännitteen muuttuminen positiivisemmaksi, KATP kanavat sulkeutuvat. OIKEIN - Johtaa aineistotekstin mukaan depolarisaatioon kalsiumionien vapautumiseen  insuliinin eksosytoosiin 5. Tehtävä a) Miten glukoosi kulkeutuu äidin verenkierrosta sikiön soluihin? Glukoosi kuljetetaan äidin verenkierron mukana istukkaan ja edelleen istukan nukkalisäkkeiden kautta sikiön verenkiertoon GLUT-kuljettimien avulla avustetulla diffuusiolla suuremmasta pitoisuudesta pienempään. Äidin ja sikiön verenkierrot eivät istukassa sekoitu. Glukoosi siirtyy sikiöön napalaskimon välityksellä. Sikiön soluihin glukoosi siirtyy GLUT-avusteisesti (esim. GLUT1–GLUT4). Miten ja millä mekanismeilla äidin diabetes vaikuttaa sikiön koon kasvuun? Sikiön veren sokeripitoisuus kasvaa, ja sikiön oma insuliinituotanto kiihtyy. Äidin diabetes nopeuttaa sikiön kasvua, koska sikiön kohonnut verensokeri ja insuliinierityksen lisääntyminen saavat aikaan anabolisen vaikutuksen b) Miten diabeteksen solukorvaushoitoon soveltuvia haiman soluja voidaan saada (1) aikuisen ihmisen ihon solusta, (2) alkiorakkulavaiheen (blastokysta) solusta ja (3) munasolusta, jonka tuma on poistettu? Aikuisen ihossa ja alkion (alkiorakkula/blastokysti) sisäsolumassassa (alkionysty) on monikykyisiä/ useakykyisiä (pluripotentteja) kantasoluja. Nämä solut voidaan saada erilaistumaan haluttuun suuntaan muuttamalla kasvatusolosuhteita (säätelyaineet, kasvutekijät) tai siirtämällä niihin (aktiivisia) geenejä, joiden avulla solu saadaan erilaistumaan haiman β-soluiksi. Munasoluun, josta tuma on poistettu, voidaan siirtää potilaan somaattisen esim. ihosolun tuma ja näin palauttaa solu kantasoluksi (hoidollinen kloonaus). Saadut solut ovat potilaan omia soluja. Jos solut saadaan sopivissa kasvatusolosuhteissa ja kasvutekijöiden vaikutuksesta erilaistumaan haiman β-soluiksi ja siten tuottamaan insuliinia, niillä voidaan korvata tuhoutuneita haiman Langerhansin saarekesoluja. Tehtävä 6. Alla oleva kuva esittää terveen henkilön verensokerin vuorokausikäyrää. Kuvaan on ruokailurytmin (aamiainen, lounas ja päivällinen) lisäksi merkitty koehenkilön juoksulenkki illalla klo 19–20. a) Mitkä tekijät vaikuttavat veren glukoosipitoisuuteen tunnin juoksulenkin aikana, kun oletetaan, että aineenvaihdunta pysyy lenkin aikana aerobisena? Sympaattinen aktivaatio ja adrenaliinin eritys lisämunuaisytimestä lisääntyvät, jolloin maksan glykogenolyysi käynnistyy. Glukagonin eritys kasvaa ja insuliinin eritys vähenee. Glukagoni käynnistää maksan glykogenolyysin ja glukoosia vapautuu verenkiertoon (verensokeria kohottava vaikutus). Lihasten glykogeeni ei vapaudu glukoosina verenkiertoon. Fyysinen kuormitus (lihassupistukset) saa aikaan GLUT4-kuljettimien siirron soluliman varastorakkuloista solukalvolle, mikä tehostaa glukoosin ottoa lihassoluihin (verensokeria alentava vaikutus). Veren rasvahappojen käyttö tehostuu lihasten aerobisessa energia-aineenvaihdunnassa, mikä tasapainottaa verensokeria. b) Seurantajakson lopussa, aamulla klo 7, koehenkilön verensokeri (ns. paastoarvo) on 4,1 mmol/l. Miten selität, että veren glukoosipitoisuus pysyy vakaana yön yli, vaikka koehenkilö ei syönyt lenkin jälkeen ja nukkui yhtäjaksoisesti aamuun saakka? Yöunen aikana insuliinin eritys vähenee, mikä hillitsee verensokerin laskua. Verensokeri pysyy vakaana maksan autoregulaation ansiosta: maksan glykogenolyysi käynnistyy, samoin glukoneogeneesi (glukoosia muistakin ravintoaineista, kuten maitohaposta, aminohapoista ja glyserolista). Glukoneogeneesi käynnistyy myös munuaisissa. Lyhytaikaisessa paastossa (yön yli) glykogenolyysi ja glukoneogeneesi (erityisesti maksassa) ovat yhtä merkittäviä. Tehtävä 8. a) Kuinka moneen osaan analysoitu potilasnäyte pilkkoutuisi restriktioanalyysissa yllä kuvattua sekvenssiä vastaavalla alueella? Perustele vastauksesi Eksonit sijaitsevat kohdissa 1–50, 91–150 ja 201–290. 1 TTCTGTTCGC AATACTTGAA TAGCCGGTAT GCGGAGAATT AGCGCTTCGA 51 CAATACTTGA ATAGCCGGTA TGCGGAGAAT AGCGCTTATA ATGTTCTTGA 101 TAGCCGGTAT GCGGAGAATT ATAATGTTCG CAATACTTGA ATAGCGGTAT 151 GCGGAGAATT ATAATGTTCG CAATACTTGA ATAGCCGGTA TGCGGAGAAT 201 TATAATGTTC AGCGCTCTTG AATAGCCGGT ATGCGGAGAA TTATAATGTT 251 CGCAATACTT TAATATCCTT GTATTCGGAG AATTATAAGG Restriktioentsyymi AfeI tunnistaa nukleotidijärjestyksen AGCGCT ja katkaisee DNA:n sen kohdalta. Mutaatiokohdasta restriktioentsyymin katkaisukohta on hävinnyt. Potilaasta otetusta haimabiopsiasta (kudosnäyte) eristettiin lähetti-RNA:ta (mRNA), joka sitten edelleen muokattiin geenianalyysiä varten. Analyysin perusteella potilaalla on kyseinen mutaatio, mutta ei muita mutaatioita. a) 5 p Kolmesta restriktioentsyymin AfeI katkaisukohdasta yksi on hävinnyt mutaation myötä, yksi sijaitsee intronissa, jota ei enää ole mRNA:ssa eli alkuperäisessä potilasnäytteessä. Jäljelle jää siis yksi katkaisukohta, joten tutkittu näyte pilkkoutui kahteen osaan. b) 3 p Juoste A. Muodostuvat juosteet ovat vastakkaissuuntaiset alkuperäisen DNA:n kanssa. Uusi juoste syntyy aina 5'–3'suunnassa, koska DNA-polymeraasi pystyy liittämään uuden nukleotidin vain juosteessa valmiina olevan nukleotidin vapaaseen 3'-OH-ryhmään.