Проверьте знания с помощью приводимых ниже тестов
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Курский государственный медицинский университет
Федерального агентства по здравоохранению
и социальному развитию»
Кафедра биологической химии
ЗАДАНИЯ
ПО БИОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ ЛЕЧЕБНОГО, ПЕДИАТРИЧЕСКОГО, МЕДИКО-ПРОФИЛАКТИЧЕСКОГО, ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОГО И СТОМАТОЛОГИЧЕСКОГО ФАКУЛЬТЕТОВ
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
Курск – 2006
| УДК 577.1(072) | Печатается по решению |
| ББК 28.707.2я7 | редакционно-издательского |
| совета ГОУ ВПО КГМУ | |
| Росздрава |
Рекомендовано Учебно-методическим объединением по медицинскому и фармацевтическому образованию вузов России в качестве учебного пособия для студентов лечебного, педиатрического, медико-профилактического, стоматологического и фармацевтического факультетов (УМО – 245 от 09.05.06 г.).
Задания по биологической химии для самостоятельной работы студентов лечебного, педиатрического, медико-профилактического, фармацевтического и стоматологического факультетов (учебно-методическое пособие) / Под ред. проф. А.И. Конопли и проф. Л.Г. Прокопенко (2-е изд., испр. и перераб.). – Курск: КГМУ, 2006. – 92 с.
Рецензенты:
заведующий кафедрой биологической химии ГОУ ВПО ВГМА им. Бурденко Росздрава, д.м.н., профессор В.В. Алабовский
заведующая кафедрой фундаментальной и клинической биохимии с лабораторной диагностикой ГОУ ВПО «Самарский государственный медицинский университет Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию», д.м.н., профессор, заслуженный деятель науки РФ Ф.Н. Гильмиярова
Важная роль в освоении современной биохимии принадлежит самостоятельной работе студентов как составляющей процесса обучения.
Данное учебно-методическое пособие подготовлено авторами в помощь студентам. Пособие включает 16 разделов. Каждый раздел начинается введением, определяющим объем и основные вопросы, включенные в данный раздел. По каждому разделу приводится достаточно большое количество задач, способствующих развитию логического мышления, умению применять теоретические знания для решения конкретных задач. Решение задач позволит студенту закрепить, систематизировать и расширить свои знания. Знания, полученные при решении задач, могут быть включены в сетку знаний, получаемых студентом при участии других медико-биологических дисциплин, в том числе и клинических. Заканчиваются разделы тестами на подстановку, которые за короткий промежуток времени позволят преподавателю или самому студенту проверить уровень усвоения основных вопросов.
Учебно-методическое пособие может быть использовано как во внеаудиторной, так и в аудиторной работе.
| ISBN 5-7487-1113-3 | ББК 28.707.2я7 |
| © Коллектив авторов © ГОУ ВПО КГМУ Росздрава, 2006 |
О Г Л А В Л Е Н И Е
| Раздел | Название | Стр. |
| I. | АМИНОКИСЛОТЫ И ПЕПТИДЫ.Прокопенко Л.Г. ……… | |
| II. | БЕЛКИ.Авдеева Л.С. …………………………………………... | |
| III. | ФЕРМЕНТЫ.Конопля А.И. …………………………………… | |
| IV. | БИОЭНЕРГЕТИКА.Яхонтов Ю.О. …………………………... | |
| V. | ОБМЕН УГЛЕВОДОВ.Рыжикова Г.Н. ……………………… | |
| 1. Гликолиз………………………………………………… | ||
| 2. Пентозофосфатный путь………………………………. | ||
| 3. Цикл трикарбоновых кислот………………………… | ||
| 4. Глюконеогенез…………………………………………… | ||
| 5. Регуляция обмена глюкозы…………………………… | ||
| VI. | ОБМЕН ЛИПИДОВ.Кедровская Н.Н. ……………………….. | |
| 1. Транспортные формы липидов………………………. | ||
| 2. Обмен жирных кислот…………………………………. | ||
| 3. Обмен холестерина……………………………………... | ||
| 4. Регуляция липидного обмена………………………… | ||
| VII. | СТРУКТУРА КЛЕТОЧНЫХ МЕМБРАН. Быстрова Н.А. ……………………………………………………. | |
| VIII. | АЗОТИСТЫЙ ОБМЕН.Чалая Л.П. ………………………….. | |
| 1. Общие пути обмена аминокислот…………………….. | ||
| 2. Индивидуальные пути обмена аминокислот………... | ||
| IX. | ВЗАИМОСВЯЗЬ ОБМЕНА ГЛЮКОЗЫ, ЖИРНЫХ КИСЛОТ И АМИНОКИСЛОТ. Смахтин М.Ю. …………………………………………………… | |
| X. | МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕДАЧИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ. Быстрова Н.А. …………………………………………………… | |
| 1. Нуклеиновые кислоты…………………………………. | ||
| 2. Репликация……………………………………………… | ||
| 3. Транскрипция…………………………………………… | ||
| 4. Трансляция……………………………………………… | ||
| XI. | БИОХИМИЯ ВИТАМИНОВ.Кедровская Н.Н. ……………... | |
| XII. | БИОХИМИЯ ГОРМОНОВ.Чалая Л.П. ……………………… | |
| XIII. | ОБМЕН ВОДЫ И ЭЛЕКТРОЛИТОВ.Чалая Л.П. …………. | |
| XIV. | КИСЛОТНО-ЩЕЛОЧНОЕ РАВНОВЕСИЕ. Конопля А.И. …………………………………………………….. | |
| XV. | ОБМЕН ПОРФИРИНОВ.Рыжикова Г.Н. …………………… | |
| XVI. | БЕЛКИ ПЛАЗМЫ КРОВИ.Суняйкин К.И. …………………. |
I. АМИНОКИСЛОТЫ И ПЕПТИДЫ
Аминокислоты – это мономеры, из которых построены высокомолекулярные полимеры, называемые белками. Соединения, образованные из аминокислот, соединенных между собой пептидными связями, называются пептидами. Белки представляют собой полипептиды. В состав пептидов и белков человека и животных входит 20 аминокислот. Образованные ими пептидные (полипептидные) цепи состоят из остова (–NH–СН2–СО–NH–СН2–СО–) и боковых групп (R-группы). Остов имеет одинаковую структуру во всех пептидах, различаются пептиды по структуре и последовательности расположения R-групп.
От структуры R-групп зависят структура, физико-химические и биологические свойства пептидов и белков.
1.1. Аминокислоты служат строительными блоками белков, поэтому знание их структуры и химических свойств имеет первостепенное значение для понимания механизма выполнения белками их функций.
Назовите аминокислоты, для R-групп которых характерны перечисленные ниже свойства:
а) небольшая полярная R-группа, содержащая гидроксильную группу, играет важную роль в функционировании активных центров;
б) R-группа, создающая наименьшие сферические ограничения;
в) R-группа, несущая при физиологических значениях рН положительный заряд;
г) серосодержащая R-группа, нейтральная при всех значениях рН;
д) ароматическая R-группа, имеющая гидрофобную природу и нейтральную при всех значениях рН;
е) R-группа, несущая отрицательный заряд при рН 7;
ж) ароматическая R-группа, способная участвовать в образовании водородныхсвязей;
з) R-группа, образующая дисульфидные внутри- и межцепьевые связи;
и) R-группа, представляющая собой остаток насыщенного углеводорода и вносящая важный вклад в гидрофобные взаимодействия;
к) полярная, незаряженная R-группа, превращающаяся после гидролиза в группу, заряженную при рН 7 отрицательно. Напишите формулы этих аминокислот.
1.2. Анализ смеси аминокислот начинают с разделения смеси на компоненты методом ионообменной хроматографии. Небольшие количества смеси вносят в верхнюю часть колонки, заполненной частицами полистирола, содержащими остатки сульфоновой кислоты. Затем через колонку пропускают буферный раствор. Аминокислоты проходят через колонку с разными скоростями, поскольку их движение тормозят два фактора: 1) электростатическое притяжение между отрицательно заряженными остатками сульфоновой кислоты и положительно заряженными функциональными группами аминокислот и 2) гидрофобное взаимодействие между боковыми цепями аминокислот и сильно гидрофобным остовом полистироловой смолы. Определите, какая аминокислота из каждой указанной ниже пары будет входить из колонки первой при пропускании через колонку буфера с рН 7,0:
а) аспарагиновая кислота и лизин;
б) аргинин и метионин;
в) глутаминовая кислота и валин;
г) глицин и лейцин;
д) серин и аланин.
1.3. Напишите формулы кислот, входящих в состав природных белков. Выделите среди них аминокислоты с:
а) неполярными (гидрофобными) радикалами;
б) полярными (незаряженными) радикалами;
в) отрицательно заряженными (кислыми) радикалами;
г) положительно заряженными (основными) радикалами.
1.4. Напишите формы, в которых аланин преобладает при рН 1, 7 и 10.
1.5. Укажите суммарный заряд (–, 0 или +) для глицина, аспарагиновой кислоты, лизина и гистидина при рН 1, 2, 4, 6, 10. Изоэлектрические точки глицина – 6, аспарагиновой кислоты – 3, лизина – 10, гистидина – 4.
1.6. Смесь глицина, аланина, глутаминовой кислоты, лизина, аргинина и серина разделяли методом электрофореза на бумаге при рН 6. Какие соединения двигались: а) к аноду; б) к катоду; в) оставались на месте? Изоэлектрические точки аланина – 6, глутаминовой кислоты – 3, аргинина – 11, серина – 6, остальных аминокислот – см. предшествующую задачу.
1.7.Укажите суммарный заряд, который несет пептид сер–тир–мет–глу–гис–фен–арг–три–гли–лиз–про–вал при рН 7. В какой среде находится изоэлектрическая точка этого пептида?
1.8. Напишите формулу трипептида, у которого резко преобладают кислые свойства, назовите этот пептид.
1.9. Напишите формулу трипептида, у которого резко преобладают основные свойства, назовите этот трипептид.
1.10. Один из методов разделения полипептидов основан на различии их растворимости. Растворимость крупных полипептидов в воде зависит от степени полярности их R-групп, особенно от числа ионизируемых групп: чем больше ионизируемых групп, тем выше растворимость полипептида. Какой полипептид из каждой перечисленной ниже пары более растворим в указанных условиях?
а) (глу)20 или (гли)20 при рН 7,0;
б) (лиз-ала)3 или (фен-мет)3 при рН 7,0;
в) (ала-сер-гли) 5 или (асп-сер-гис)5 при рН 9,0;
г) (ала-асп-глу)5 или (асп-сер-гис)5 при рН 3,0.
II. БЕЛКИ
Классификация белков основывается на трех признаках – составе, форме и функции.
По составу белки делятся на простые и сложные. В состав первых входят только аминокислоты, в состав вторых – кроме аминокислот входят группировки другой химической природы. Такие группировки называются простетическими. В зависимости от природы простетической группы выделяют нуклеопротеиды, гликопротеиды, липопротеиды, хромопротеиды, металлопротеиды, фосфопротеиды. По форме молекулы различают глобулярные и фибриллярные белки. По функции различают каталитические, транспортные, регуляторные, рецепторные и сократительные белки.
Принято выделять четыре уровня структурной организации белковой молекулы.
Первичная структура определяется:1) природой входящих в молекулу аминокислот, 2) абсолютным и относительным количеством остатков каждой аминокислоты, 3) последовательностью аминокислотных остатков в полипептидной цепи. В случае наличия простетических групп их состав и количество также включаются в первичную структуру.
Вторичная структура характеризуется пространственной ориентацией остова полипептидной цепи без учета различий по составу и конформации боковых цепей (R-групп). Третичная структура описывает полную трехмерную структуру полипептидной цепи, в том числе и ориентацию простетических групп. Четвертичная структура белка образуется в результате нековалентного агрегирования двух или большего числа полипептидных цепей.
Первые три уровня характеризуют структуру полипептидной цепи, они используются для описания всех белков, четвертый уровень характерен только для белков, состоящих из двух или нескольких полипептидных цепей.
2.1. Первичная структура полипептидной цепи в значительной мере определяется последовательностью расположения в ней аминокислотных остатков. Чем определяется последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи? Какие связи обеспечивают формирование первичной структуры? Какова энергия образования этих связей?
2.2. В результате точковых мутаций в полипептидных цепях белков, синтезируемых в клетках, возможны замены аминокислотных остатков. Что произойдет, если в полипептидную цепь вместо одного аминокислотного остатка будет включен другой - с малоотличающимся по структуре радикалом? Как называются такие замены? Что произойдет, если в полипептидную цепь вместо одного аминокислотного остатка будет включен другой со значительно отличающимся по структуре радикалом? Как называются такие замены? Какие замены встречаются чаще? Обоснуйте свой ответ.
2.3. Укажите вариант гемоглобина, который будет функционально менее активным, чем нормальный гемоглобин взрослого человека. Вариант 1 – в 67-м положении бета-цепи вместо валина находится аланин. Вариант 2 – в 50-м положении альфа-цепи вместо гистидина находится аспарагиновая кислота. Обоснуйте Ваш ответ.
2.4. Укажите, какие из приведенных ниже пептидов обладают одинаковой по специфичности физиологической активностью:
а) цис–тир–илей–глу–асп–цис–про–лей–гли;
б) цис–тир–фен–глу–асп–цис–про–арг–гли;
в) цис–тир–фен–глу–асп–цис–про–лиз–гли.
Обоснуйте свой ответ.
2.5. Определите, будут ли отличаться по свойствам белки, у которых различия первичной структуры локализованы в следующих фрагментах:
вал–гис–лей–тре–про–глу–глу–лиз;
вал–гис–лей–тре–про–вал–глу–лиз.
Обоснуйте свой ответ.
2.6. Определение аминокислотной последовательности полипептидной цепи состоит из следующих этапов:
1) определение аминокислотного состава после гидролиза всех пептидных связей чистого полипептида;
2) идентификация N– и C–концевых аминокислотных остатков (N–кон-
цевой остаток определяют по реакции с 1–фтор–2,4–динитробензолом (ДНФБ) или с дансилхлоридом, которые присоединяются к свободной концевой аминогруппе. С–концевой остаток отщепляет карбосипептидаза);
3) расщепление полипептидной цепи на фрагменты ферментами, избирательно расщепляющими связи, образованные карбоксильной группой лизина и аргинина (трипсин), фенилаланина, тирозина и триптофана (химотрипсин), метионина (бромциан) и аминогруппами фенилаланина и тирозина (пепсин);
4) определение последовательности аминокислотных остатков пептидов, полученных при частичном гидролизе полипептида, а затем последовательного отщепления N-концевых аминокислотных остатков, связанных с фенилизотиоцианатом;
5) установление порядка установления пептидных фрагментов по перекрывающимся участкам.
Определите последовательность аминокислотных остатков в тетрапептиде, содержащем аланин, валин, лизин, пролин, если известно, что в результате реакции тетрапептида с ДНФБ и последующего гидролиза ДНФ–пептида 6 М раствором соляной кислоты получен ДНФ–серин, а гидролиз тетрапептида трипсином дает два соединения, одно из которых окрашивается нингидрином в сине-фиолетовый, а другое – в желтый цвет (сине-фиолетовое окрашивание с нингидрином дают аминокислоты, желтое – пролин и оксипролин).
2.7. В результате кислотного гидролиза пептида установлен его аминокислотный состав: аспарагиновая кислота – 1 моль на моль пептида, лизин – 1 моль, пролин – 2 моля, серин – 1 моль. После обработки пептида ДНФБ и полного гидролиза получен ДНФ–серин. После частичного кислотного гидролиза пептида получено 5 новых пептидов. Когда каждый из них был полностью гидролизован, получили следующие аминокислоты, но не в эквимолекулярных концентрациях в каждом случае: пептид 1 – пролин, серин; пептид II – пролин, серин; пептид III – лизин, пролин; пептид IV – лизин, пролин; пептид V – аспарагиновая кислота, лизин. Предложите наиболее вероятную последовательность аминокислотных остатков в исходном пептиде.
2.8. При исследовании Сэнджером первичной структуры цепи инсулина быка было показано, что она содержит 21 аминокислотный остаток, а именно – гли, ала, 2 вал, 2 лей, иле, 4 цис, 2 асп, 4 глу, 2 сер, 2 тир. Обработка полипептида, динитрофторбензолом с последующим гидролизом привела к ДНФ–глицину, карбоксипептидазой – к аспарагиновой кислоте. При действии на цепь инсулина быка пепсином были получены следующие пептиды:
глу–цис–цис–ала–сер–вал;
гли–иле–вал–глу;
асп–тир–цис–асп;
тир–глу–лей–глу;
химотрипсином – сер – лей – тир;
глу–лей–асп–тир;
цис–асп;
глу–иле–вал–глу–глу–цис–цис–ала–сер–вал–цис.
Исходя из данных, выведите первичную структуру цепи быка. Какая это цепь – А или В?
2.9. В гидролизате пептида найдены ала, вал, глу, фен, тир, лиз, гли, лей, мет и аммиак. При обработке пептида по методу Сэнджера выявлен ДНФ-аланин, карбоксипептидазой – глицин. В триптическом гидролизате обнаружено два пептида: первый состоит из вал, ала, гил, лиз, фен; второй – из мет, гли, лей, тир и при обработке по Сэнджеру дает ДНФ-лейцин. В химотриптическом гидролизе найдено три пептида: первый содержит мет и гли; второй – вал, ала, фен, глн; третий – лей, тир, лиз. Выведите на основании всей совокупности данных первичную структуру исходного пептида.
2.10. В результате взаимодействия близко расположенных полярных групп образуется вторичный уровень организации полипептидной цепи – альфа-спираль. Какие связи обеспечивают формирование альфа-спирали? Какова энергия образования этих связей? Назовите аминокислотные остатки, которые нарушают формирование альфа-спиральной конформации полипептидной цепи. Какими свойствами обладают участки полипептидной цепи, лишенные спиральной конформации?
2.11. При изучении последовательности аминокислотных остатков в полипептидных цепях различных белков сделано несколько важных обобщений. Среди них следующие обобщения, характеризующие взаимосвязь первичной структуры и функции белков:
а) белки, выполняющие разные функции, в подавляющем большинстве случаев имеют разные аминокислотные последовательности, а белки со сходными функциями имеют одинаковые или очень близкие последовательности аминокислотных остатков; размеры этих участков, как правило, не велики. Какие выводы можно сделать на основании сравнения аминокислотных последовательностей таких белков? Приведите примеры, подтверждающие Ваш ответ;
б) белки, выполняющие одинаковые функции, выделенные из организмов разных видов,имеют обычно значительное сходство аминокислотных последовательностей на значительных участках полипептидных цепей. Какие выводы можно сделать на основании сравнения аминокислотных последовательностей таких белков? Приведите примеры, подтверждающие Ваш ответ;
в) белки, выполняющие одинаковые функции, выделенные из организмов одного вида, почти всегда обладают одинаковыми аминокислотными последовательностями. Какой вывод можно сделать из этой закономерности? Приведите примеры, подтверждающие Ваш ответ.
2.12. Спиральную структуру нарушают два фактора:
1) наличие остатка пролина и 2) существование локального электростатического отталкивания в участках наличия кластеров положительно или отрицательно заряженных R-групп. В какой форме находятся неспирализованные участки глобулярного белка? Охарактеризуйте каждую из этих форм.
2.13.Покажите в приведенном ниже пептиде неспирализованные участки и аминокислотные остатки, между которыми могут образоваться дисульфидные связи.
иле–ала–гис–тре–тир–гли–про–фен–глу–ала–ала–мет–цис–лиз–три–глу–глу–глу–про–асп–гли–мет–глу–цис–ала–фен–гис–арг.
2.14. Ниже приведена последовательность аминокислотных остатков в так называемой шарнирной области тяжелой цепи иммуноглобулина класса G.
три–цис–сер–лиз–про–тре–цис–про–про–про–глу–лей–лей–глу–глу–про–сер–вал–фен–илей–фен–лиз–про–про–про–лиз–асп–тре–илей–мет–илей.
В этом участке легче, чем в других, происходит изгиб, и легче, чем в других участках, цепь гидролизуется протеолитическими ферментами. Чем это обусловлено?
2.15. Структура типа складчатого листа (бета-складчатость), как и альфа-спираль, стабилизируется водородными связями. Эти связи могут быть внутри- и межмолекулярными. Для каких по форме белков характерны эти водородные связи? В каком случае следует говорить о вторичной структуре, а в каком речь идет о структуре более высокого порядка?
2.16. Для белка характерна вторичная структура белка:
а) только спираль, б) только складчатый лист, в) спираль и статистический клубок, г) складчатый лист и статистический клубок, д) спираль и складчатый лист, е) спираль, складчатый лист и статистический клубок, ж) только статистический клубок.
Какие из этих типов встречаются в глобулярном и какие в фибриллярных белках?
2.17. При построении модели молекулы миоглобина, на основании данных рентгеноструктурного анализа установлено, что 1) каждый из четырех остатков пролина расположен в местах сгиба полипептидной цепи, 2) полипептидная цепь миоглобина образует очень компактный клубок, 3) почти все полярные R-группы расположены на внешней поверхности клубка, причем все они находятся в гидратированном состоянии, 4) большая часть гидрофобных R-групп расположена внутри клубка и таким образом экранирована от диполей воды.
Какие из указанных ниже аминокислот почти всегда находятся на внешней поверхности миоглобина и других глобулярных белков, какие – внутри глобулы и какие могут находиться как внутри, так и на поверхности глобулярных белков?
Аланин, аргинин, аспарагин, аспарагиновая кислота, валин, гистидин, глицин, глутамин, глутаминовая кислота, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, пролин, тирозин, серин, треонин, триптофан, фенилаланин, цистеин.
2.18. Вторичный уровень организации полипептидной цепи – альфа-спираль – представляет собой регулярную структуру, в то время как третичный уровень организации – глобула – является нерегулярной структурой. Обсудите вопрос о природе и взаимном расположении группировок, между которыми возникают взаимодействия, стабилизирующие альфа-спираль и глобулу.
2.19. В результате нековалентного объединения двух или нескольких полипептидных цепей формируется четвертичный уровень организации белковой молекулы – агрегат. Какие связи стабилизируют четвертичную структуру белка? Агрегаты, состоящие из нескольких нековалентно связанных полипептидных цепей, называют олигомерами, а полипептидные цепи, входящие в состав олигомеров, называют протомерами. В каком случае говорят о гомологичных олигомерах, а в каком – о гетерогенных олигомерах?
Обсудите преимущества построения белка из протомеров по сравнению с его синтезом в виде единой длинной полипептидной цепи.
2.20. Молекулы гемоглобина и иммуноглобулина G состоят из 4 полипептидных цепей. Сравните эти молекулы по следующим признакам: а) молекулярная масса, состав и структура цепей, б) природа химической связи между цепями, в) число, состав, структура активных центров.
2.21. Чистый белок обработали надмуравьиной кислотой. Реакция прошла, это подтверждается тем, что при гельфильтрации необработанный белок вымывался из колонки быстрее, чем белок после обработки. Однако электрофорез в полиакриламидном геле обработанного белка выявил только одну отчетливую узкую полосу. Что можно сказать о структуре белка на основании этих данных?
2.22. Фермент с молекулярной массой 300000 диссоциирует в кислой среде на два отдельных компонента с молекулярной массой 100000 и 50000. Более крупные частицы, составляющие 2/3 всего белка, обладают каталитической активностью; частицы меньшего размера лишены активности. Обработка более крупных частиц бета-меркаптоэтанолом, который восстанавливает дисульфидные связи, вызывает потерю каталитической активности и снижение скорости седиментации. После этого на седиментограмме продуктов расщепления белка наблюдается один пик. Сколько субъединиц содержит фермент? Каков его молекулярный вес? Как они связаны друг с другом? Сколько полипептидных цепей содержит каждая каталитическая субъединица? Какова их молекулярная масса? Как они связаны друг с другом?
2.23. Структура полипептидной цепи формируется и стабилизируется полипептидной, дисульфидными и водородными связями, ионными и гидрофобными взаимодействиями. Охарактеризуйте химическую природу и энергию образования этих связей и взаимодействий. Обсудите биологический смысл сочетания в структуре полипептидной цепи ковалентных связей и слабых взаимодействий.
2.24. Нативная конформация белка, обусловленная преимущественно слабыми взаимодействиями, обладает высокой лабильностью. Вследствие этого она подвержена изменениям под влиянием химических или физических агентов. Такие изменения не затрагивают аминокислотной последовательности. Потеря белком нативной конформации называется денатурацией. Охарактеризуйте процессы, лежащие в основе денатурации мономерных и олигомерных белков. Происходит ли при денатурации изменение физико-химических и функциональных свойств белков?
2.25. Укажите, в каком направлении будет двигаться в электрическом поле яичный альбумин, бета-лактоглобулин и уреаза при рН 5,0.
2.26. Укажите, в каком направлении будут двигаться в электрическом поле сывороточный альбумин, миоглобин и химотрипсиноген при рН 7,0.
2.27. Укажите, при каком значении рН будет достигнуто наибольшее разделение методом электрофореза следующих смесей: а) сывороточный альбумин и гемоглобин, б) миоглобин и химотрипсиноген, в) яичный альбумин, сывороточный альбумин и уреаза.
2.28. Укажите различия в анионной подвижности, которые будут обнаружены при электрофорезе между нормальным гемоглобином человека и аномальными гемоглобинами У, С и М.
2.29. Укажите различия в анионной подвижности, которые будут обнаружены при электрофорезе между нормальным гемоглобином человека и аномальными гемоглобинами S, Е и Цюрих.
2.30. Определите изменение анионной подвижности белка (изоэлектрическая точка 6,8, функционирование ведется при рН 7,0), если в его молекуле: а) глу замещен на вал, б) лиз замещен на глу, в) глу замещен на лиз, г) вал замещен на глу, д) гис замещен на арг.
2.31. Пепсин желудочного сока (pH 1,5) имеет изоэлектрическую точку около 1,0. Какие функциональные группы должны присутствовать в пепсине в относительно большом количестве, чтобы этот фермент мог иметь такую низкую изоэлектрическую точку? Какие аминокислоты имеют эти группы в своем составе?
2.32. Гистоны – это белки, содержащиеся в ядрах эукариотических клеток. Они прочно связаны с фосфатными группами ДНК. Изоэлектрическая точка гистонов очень высока – около 10,8.
Какие аминокислотные остатки должны присутствовать в гистонах в относительно больших количествах? Каким образом эти остатки связываются с фосфатными группами ДНК?
Проверьте знания с помощью приводимых ниже тестов
Структура белков
Первичная структура полипептидной цепи определяется последовательностью аминокислотных остатков, соединённых друг с другом …(1) связями. Взаимное пространственное расположение полипептидных цепей, их фрагментов и группировок называется …(2). Вторичная структура полипептидной цепи формируется в результате взаимодействия близко расположенных групп, она имеет форму …(3) или …(4). Вторичная структура стабилизируется в основном …(5) связями. Третичная структура полипептидной цепи формируется в результате взаимодействия отдалённо расположенных групп, она имеет форму …(6). Третичная структура стабилизируется …(7), …(8), …(9) связями, а также …(10) взаимодействиями. Особую стабильность третичная структура приобретает за счёт …(11) связей, которые образуются между радикалами аминокислоты …(12). Четвертичная структура белка формируется в результате объединения нескольких полипептидных цепей, она стабилизируется …(13), …(14), …(15) связями, а также …(16) взаимодействиями.
Ковалентными связями в молекуле белка являются …(17) и …(18), слабыми связями и взаимодействиями - …(19), …(20) и …(21).
Функциональная активность белка определяется …(22) и …(23) уровнями организации его молекулы. Состояние, при котором белок проявляет наибольшую функциональную активность, называется …(24). Нарушение такого состояния называется …(25).
По форме белки подразделяются на …(26) и …(27), а по составу – на …(28) и …(29). По химическому составу неаминокислотного компонента белки подразделяются на …(30), …(31), …(32), …(33), …(34) и …(35).
Основными функциями белков являются …(36), …(37), …(38), …(39), …(40) и …(41).
III. ФЕРМЕНТЫ
Ферменты – биологически активные катализаторы, характеризующиеся высокой активностью, строгой специфичностью и регулируемостью. Все ферменты являются белками. Активность многих ферментов зависит от участия небелковых соединений, называемых коферментами, или кофакторами. Кофакторами принято называть катионы металлов, коферментами – производные витаминов и нуклеотидов.
Активный центр фермента – это участок, который связывает субстрат и кофактор или кофермент (если они ecть) и в котором содержатся аминокислотные остатки, непосредственно участвующие в образовании или разрыве химических связей субстрата.
Выделяют 6 классов ферментов.
Гидролазы – ферменты, расщепляющие субстрат при участии молекулы воды.
Лиазы – ферменты, расщепляющие молекулы субстрата без участия воды, при этом часто образуются низкомолекулярные продукты – CO2, NH3, H2O.
Изомеразы – ферменты, вызывающие в молекуле изомерные превращения.
Феразы – ферменты, переносящие группы атомов от одной молекулы на другую или из одного положения в другое в пределах одной молекулы.
Оксидоредуктазы – ферменты, катализирующие перенос электронов и протонов (то есть окислительно-восстановительные реакции).
Лигазы (синтетазы)– ферменты, катализирующие синтез крупных молекул из более мелких.
Живая клетка представляет собой систему липопротеидных мембран. Большинство ферментов в клетке более или менее прочно связано с различны-
ми мембранами (цитоплазматической, эндоплазматическим ретикулумом, ми-
тохондриальной, ядерной, лизосомальной, аппаратом Гольджи). Благодаря это-
му достигается пространственное разделение ферментов, катализирующих раз-
личные реакции, образование ферментных ансамблей, уменьшение концентра-
ции белков, растворенных в цитозоле. Мембраны разделяют клетку на отсеки –
компартменты. Компартментализация ферментативных процессов – одно из
важнейших условий координированного осуществления биохимических про-
цессов в живых клетках, даже простейшие из которых содержат около 2000
различных ферментов. Другим, не менее важным условием координации био-
химических процессов в клетке является субстратная регуляция метаболиче-
ских процессов. Превращение исходного субстрата в физиологически активное
вещество или конечный продукт обмена происходит, как правило, не
непосредственно, а через ряд последовательно осуществляющихся реакций
(А В С D Е), называемых метаболическим путем. Каждая из реакций (этапов)
метаболического пути катализируется специфическим ферментом. Скорость
метаболического пути в живой клетке регулируется концентрациями исходного
субстрата, промежуточных и конечных метаболитов, являющихся положитель-
ными или отрицательными эффекторами ферментов, катализирующих различ-
ные этапы метаболического пути.
В физиологических условиях скорости многих ферментативных реакций регулируются в результате обратимого связывания ферментами относительно низкомолекулярных соединений, называемых эффекторами. Это связывание осуществляется на специфических участках, пространственно удаленных от активных центров. Такие участки получилиназвание аллостерических центров, а ферменты, ихсодержащие, – аллостерических или регуляторных ферментов. В условиях постоянных концентраций фермента и субстрата связывание эффектора может снижать (аллостерическое ингибирование) или увеличивать (аллостерическая активация) скорость реакции. Аллостерическое ингибирование может достигаться либо в результате уменьшения эффективности связывания фермента с субстратом, что проявляется в увеличении Км, либо в результате уменьшения числа оборотов фермента, что проявляется в снижении максимальной скорости реакции. Аллостерическая активация, напротив, сопровождается либо уменьшением Км, либо увеличением максимальной скорости реакции.
Все известные аллостерические ферменты состоят из двух или более субъединиц, которые имеют идентичную или различную последовательность аминокислотных остатков. Число активных центров обычно равно числу полипептидных цепей, следовательно, они построены из аминокислотных остатков одной цепи. Аллостерический центр, как правило, один, он может быть построен за счет аминокислотных остатков одной или нескольких цепей. Взаимодействие эффектора с аллостерическим центром вызывает изменение конформации субъединиц, что приводит к изменению каталитических свойств их активных центров. Эффектором аллостерического фермента может быть субстрат этого фермента или вещество, не являющееся субстратом, в частности продукт, образующийся под влиянием фермента.
Кинетика реакции, катализируемой аллостерическим ферментом, не соответствует простым закономерностям, установленным Михаэлисом. Кривая зависимости скорости реакции от концентрации субстрата для регуляторных ферментов имеет сигмоидную (а не гиперболическую) форму.
3.1. Молекула карбоксипептидазы, последовательно отщепляющая С–концевые остатки аминокислот от пептидов, состоит из одной полипептидной цепи, содержащей 307 аминокислотных остатков. Три главные каталитические группы в активном центре – это аргинин, тирозин и глутаминовая кислота, находящиеся в 145, 248 и 270 положениях соответственно. Объясните, каким образом эти три аминокислоты, расположенные далеко в полипептидной цепи, на значительном расстоянии друг от друга (более 15 нм), катализируют реакцию в участке субстрата, занимающем пространство размерами в несколько десятых долей нанометра. Для чего ферменту необходимо иметь более 300 аминокислотных остатков, если в процессе гидролиза участвуют только 3 из них?
3.2.При нагревании раствора фермента со временем он постепенно утрачивает каталитическую активность. Это обусловлено разворачиванием молекулы нативного фермента. При инкубации раствора гексокиназы в течение 12 минут при 45°С фермент теряет 50% активности, но если гексокиназу инкубировать в течение 12 минут при 45°С в присутствии высокой концентрации глюкозы, то она утрачивает только 3% активности. Объясните, почему тепловая денатурация гексокиназы замедляется в присутствии глюкозы.
3.3. Фермент был очищен до постоянной удельной активности, другие методы анализа подтвердили чистоту выделенного белка. Электрофорез в полиакриламидном геле образца, полученного на последней стадии очистки, выявил наличие одной основной и двух минорных фракций белка. Белок каждой фракции катализировал одну и ту же реакцию. Какой вывод можно сделать на основании этих данных?
3.4. Фумараза катализирует превращение фумарата в малат. Эфиры фумарата и малата не являются субстратами фумаразы. Каков характер взаимодействий между активным центром фумаразы и субстрата?
3.5. Скорость гидролиза пептидов лейцинаминопептидазой зависит от природы аминокислотного радикала на N-конце пептида; она увеличивается в последовательности Н<СНз<С2Н5<С3Н7<С4Н9. Наличие в радикале таких групп, как –СООН, –NН2, –ОН, снижает скорость гидролиза. Каков характер взаимодействий между субстратом и комплементарной ему областью активного центра фермента? Какое влияние, активирующее или ингибирующее, должны оказывать на такой фермент алифатические спирты, если верно Ваше заключение о характере взаимодействия фермента и субстрата?
3.6. На основании решения двух предшествующих задач сделайте общее заключение о характере взаимодействия: между субстратом и активным центром фермента. На каком свойстве субстрата и активного центра фермента основан такой характер взаимодействия? Сопоставьте Ваш вывод о характере взаимодействия субстрата и активного центра фермента со свойством обратимости процесса образования фермент-субстратного комплекса.
3.7. Существует количественная зависимость между концентрацией субстрата и скоростью ферментативной реакций. Эта зависимость выражается уравнением Михаэлиса–Ментен. Напишите уравнение Михаэлиса–Ментен. Какой вид принимает это уравнение при очень высоких концентрациях субстрата?
3.8. Нарисуйте график зависимости скорости реакции от концентрации субстрата для фермента, подчиняющегося закономерности Михаэлиса–Ментен. Сопоставьте его с выводами, полученными при анализе уравнения Михаэлиса– Ментен.
3.9. Дайте определение константы Михаэлиса (Км). Рассчитайте, чему она равна. Покажите на графике зависимости скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата величину Км. Какое свойство фермента характеризуется величиной Км?
3.10. Нарисуйте график Лэйнуивера–Бэрка. Чему равны величины отрезков, отсекаемых на оси абсцисс и ординат при построении графика Лэйнуивера–Бэрка? Для чего используется метод Лэйнуивера–Бэрка?
3.11. Действие большинства ферментов можно подавить определенными реагентами – ингибиторами. Существуют ингибиторы двух основных типов: необратимые и обратимые. Необратимые ингибиторы разрушают активный центр молекулы фермента, обратимые – связывают функциональные группы фермента или блокируют его активный центр. Существуют обратимые ингибиторы двух типов – конкурентные и неконкурентные. Конкурентный ингибитор конкурирует с субстратом за связывание с активным центром, но в отличие от субстрата связанный с ферментом конкурентный ингибитор не подвергается ферментативному превращению. По своей конформации конкурентные ингибиторы обычно напоминают субстрат данного фермента. Отличительная особенность конкурентного ингибирования состоит в том, что его можно устранить или ослабить повышением концентрации субстрата. Неконкурентный ингибитор не имеет конформационного сходства с субстратом, он связывается с определенными функциональными группами активного центра или вне его. Конкурентное и неконкурентное ингибирование можно количественно изучать на основе теории Михаэлиса–Ментен. Нарисуйте графики Михаэлиса–Ментен и Лэйнуивера–Бэрка для конкурентного и неконкурентного ингибирования. Как изменяется константа Михаэлиса и максимальная скорость реакции при конкурентном и неконкурентном ингибировании?
3.12. В присутствии низкомолекулярного продукта скорость реакции замедлилась.
Концентрация субстрата, мм:2,0 3,0 4,0 10,0 15,0
Скорость образования продукта
без модулятора реакции 139 179 213 313 370
в присутствии модулятора 88 121 149 257 313
Определите, является ли низкомолекулярный продукт конкурентным или неконкурентным ингибитором.
3.13. Салицилат ингибирует каталитическое действие глутаматдегидро-геназы.
Концентрация субстрата, мм: 1,5 2,0 3,0 4,0 8,0 16,0
Скорость образования продукта
в отсутствии салицилата 0,21 0,25 0,28 0,33 0,44 0,45
в присутствии салицилата 0,08 0,10 0,12 0,13 0,16 0,18
Определите, является ли ингибирование конкурентным или неконкурентным. Сравните структурные формулы глутамата и салицилата. Подтверждает ли это сравнение Ваш ответ?
3.14. К какому классу относятся ферменты, катализирующие следующие реакция:
а) глюкоза + АТФ => глюкозо-6-фосфат + АДФ;
б) глюкозю-6-фосфат + вода => глюкоза + ортофосфат;
в) пировиноградная кислота + углекислота => оксалоацетат;
г) яблочная кислота => оксалоацетат.
3.15. К какому классу относятся ферменты, катализирующие следующие реакции:
а) глюкозо-6-фосфат => фруктозо-6-фосфат;
б) креатин + АТФ => креатинфосфат + АДФ;
в) глюкозо-6-фосфат => 6-фосфоглюконовая кислота;
г) глутаминовая кислота => альфа-кетоглутаровая кислота + аммиак.
3.16. К какому классу относятся ферменты, катализирующие следующие реакции:
а) фруктозо-1,6-дифосфат => 3-фосфоглицериновый альдегид + фосфодиоксиацетон;
б) глюкозо-6-фосфат => глюкозо-1-фосфат;
в) АТФ => АДФ + ортофосфат;
г) лактоза + вода => глюкоза + галактоза.
3.17. К какому классу относятся ферменты, катализирующие следующие реакции:
а) гистидин => гистамин + углекислота;
б) молочная кислота => пировиноградная кислота;
в) аспарагиновая кислота => фумаровая кислота + аммиак;
г) аргинин + вода => орнитин + мочевина.
3.18. К какому классу относятся ферменты, катализирующие следующие реакции:
а) жирная кислота + коэнзим А => ацетил-коэнзим А;
б) янтарная кислота => фумаровая кислота;
в) аланин + альфа-кетоглутаровая кислота => пировиноградная кислота + глутаминовая кислота;
г) ацетилкоэнзим А + углекислота => малонилкоэнзим А.
3.19. Метаболический блок представляет собой замедление или прекращение определенного пути метаболизма, вызванного резким снижением активности или отсутствием фермента, катализирующего какой-либо этап этого пути. Какие причины могут привести к возникновению метаболического блока? К каким биохимическим изменениям в клетке и крови может привести возникновение метаболического блока? В каких случаях возникновение метаболического блока не вызовет биохимических изменений в клетке и крови?
3.20. Возможны три варианта соотношений константы Михаэлиса фермента и концентрации специфического для него субстрата в живой клетке:
1) Км ≤ [S]
2) Км = [S]
3) Км ≥ [S]
Охарактеризуйте зависимость между концентрацией субстрата и скоростью его ферментативного превращения при каждом из этих вариантов.
3.21. Важной особенностью ферментативного катализа в живой клетке является его кооперативность. Чем вызвана необходимость кооперативного действия ферментов в клетке и чем обусловлена его возможность?
3.22. Сформулируйте общие принципы биохимической диагностики ферментных (метаболических) блоков.
3.23. Сформулируйте общие принципы биохимической коррекции последствий ферментных блоков при: а) снижении активности фермента, б) отсутствии фермента.