Биохимия пособие Коновалова 2012

Обмен липидов

1.Что означает выражение «жиры сгорают в пламени углеводов»

ипочему этот процесс нарушается при голоде и диабете?

Ответ: В результате катаболизма жиров (бета-окисление жир­ ных кислот) образуется ацетил-КоА, который «сгорает» в цикле трикарбоновых кислот после конденсации со ЩУК (щавелевоуксусной кислотой). ЩУК образуется из пирувата путем его карбоксилирования (путь, пополняющий запасы ЩУК). При голодании и сахарном диабе­ те в клетке образуется мало пирувата, а, следовательно, и ЩУК. Из-за возникающего относительного дефицита ЩУК ацетил-КоА накапли­ вается и превращается в кетоновые тела.

2.В гепатоцитах человека, злоупотребляющего алкоголем, на-, рушен синтез фосфолипидов и белков. Как это повлияет на содержа­ ние в печени нейтральных жиров?

Ответ: В печени будут накапливаться триглицериды и эфиры холестерина, так как фосфолипиды и белки необходимы для выведе­ ния триглицеридов из гепатоцитов в составе ЛПОНП.

3.Как распределяется изотопная метка в молекуле пальмитино­ вой кислоты, синтезированной из малонил-КоА, меченого 14С по угле­ родному атому карбоксильной группы?

Ответ: Метка не будет обнаруживаться, так как она теряется, в виде С 02. • *

4. С чем связано гемолитическое действие змеиного яда?

Ответ: Наличием фосфолипазы А2 —фермента, отщепляющего жирную кислоту из положения 2 фосфатидилхолина мембран эритро­ цитов и переводящего его в детергент —лизофосфатидилхолин.

5.Некоторые из применяемых в кулинарии жиров, например, сливочное масло, быстро портятся при хранении на воздухе при ком­ натной температуре, тогда как свойства твердых жиров типа маргари­ на в аналогичных условиях меняются мало. Почему?

Ответ: Ненасыщенные жирные кислоты, содержащиеся в боль­ ших количествах в сливочном масле, легко окисляются кислородом воздуха.

6.Объясните, какими свойствами липидов мембран обеспечива­ ется образование из липидного бислоя замкнутых структур - липосом. Каково биологическое значение этих свойств и как они связаны со структурой биологических мембран?

Ответ: Липиды, образующие бимолекулярные слои, относятся к амфипатическим молекулам, т.е. они содержат гидрофильную и гид­ рофобную части. Чтобы уменьшить соприкосновение гидрофобной части молекулы с водой, липиды формируют двумерные пленки, в ко­

6 2 1

торых гидрофильные части обращены к воде, а гидрофобные распо­ ложены на внутренней стороне пленки. Более того, чтобы воспрепят­ ствовать взаимодействию гидрофобных краев такой пленки с водой липидные бислои смыкаются. Из этих свойств липидов вытекают важ­ ные биологические следствия, а именно — образование замкнутых мембранных поверхностей, в результате чего в клетке возникают внутриклеточные компартменты.

7. Липидный бислой клеточной мембраны предохраняет клетки от быстрой потери ионов К+, СГ, Mg2+. Почему?

Ответ: Этим ионам приходится проходить через неполярную среду, составляющую внутреннюю часть мембраны.

8. Для экстракции интегральных белков мембран используют детергенты. Почему?

Ответ: Детергенты солюбилизируют гидрофобные части мем­ бран, высвобождая интегральные белки.

9. Какая часть молекулы триацилглицерина содержит больше биологически доступной энергии: остатки жирных кислот или остаток глицерина?

Ответ: Остатки жирных кислот.

10.Почему при интенсивном росте ткани опухоли в крови боль­ ного часто обнаруживают гипохолестеринемию?

Ответ: При наличии быстро растущей опухоли холестерин ис­ пользуется для построения мембран интенсивно делящихся клеток.

11.Что в большей мере нарушает переваривание липидов у взрослых людей - дефицит липазы при панкреатите или дефицит желчных кислот в ЖКТ при болезнях желчевыводящих путей?

Ответ: при дефиците желчных* кислот блокируются все этапы усвоения жира (эмульгирование, гидролиз и всасывание), в при дефи­ ците липазы только гидролиз.

12.В последние годы для лечения хронических заболеваний пе­

чени при ее жировом перерождении применяют препарат гептрал, дей­ ствующим началом которого является S-аденозилметионин. Объясните механизм действия гептрала.

Ответ: S-аденозилметионин является универсальным донором метильных групп, которые используются в синтезе фосфатидилхолина. Фосфатидилхолин необходим для образования ЛПОНП в печени, транспортирующих триглицериды из печени в другие органы.

13. В приготовлении майонеза используют яичные желтки, со­ держащие большое количество фосфотидилхолина. При сбивании их с растительным маслом происходит образование стабильного не рас­ слаивающегося соуса. Объясните, почему это происходит.

Ответ: Фосфатидилхолин является амфифильным соединением

622

и способствует образованию из жира стойкой эмульсии.

Обмен белков

1.Если любители мяса едят его в количествах, превышающих их потребности в калориях, они могут приобрести лишнюю массу тела: а) Каким метаболическим путём мясо, богатое белками, может привести

котложению триацилглицеринов? б) Какие метаболические измене­ ния могут произойти в результате такого питания?

Ответ: В результате трансаминирования образуются к'етокислоты, способные преобразовываться в ацетил-КоА и, в последующем, в жирные кислоты. При связывании жирных кислот с глицерином обра­ зуются триацилглицерины. В результате значительного увеличения продукции аммиака возрастет продукция мочевины, способной увели­ чить осмолярность плазмы и дать ощущение жажды. Это, в свою оче­ редь, сопровождается увеличением потребления воды.

2.Кошкам, не получавшим пищи накануне вечером,,дали утром натощак аминокислотную смесь, содержащую весь набор аминокис­ лот, за исключением аргинина. Через 2 часа содержание аммиака в крови значительно возросло, и появились симптомы аммиачного от­ равления, В контрольной группе, получавшей полный набор амино­ кислот, не было отклонений. Объясните причины аммиачного отрав­ ления в подопытной группе животных.

•Отйет: Аргинин необходим для нормального функционирования цикла мочевины. При его недостатке процесс синтеза мочевины может ухудшаться, что приведет к накоплению аммиака и, следовательно, к появлению симптомов аммиачного отравления*

3.Казеин - белок молока, не содержит остатков цистина и цис­ теина, его нативная конформация напоминает беспорядочный клубок. Кератин - белок шерсти, богат цистином и цистеином, высокоупоря­ дочен. Каким образом свойства этих белков скажутся на переваривае­ мое™?

Ответ: Кератин не переваривается, так как высокоупорядочен, содержит дисульфидные связи и его пептидные связи недоступны для протеиназ.

4.Глутамат, доставляемый кровью в ткань головного мозга, пре­ вращается там в глутамин, который обнаруживается в оттекающей от мозга крови. Каков смысл этого метаболического превращения?

Ответ: Местное обезвреживание аммиака.

5.При тяжелых вирусных гепатитах у больных может развиться печеночная кома, обусловленная, в частности, токсическим действием аммиака на клетки мозга. Какова причина столь значительного накоп­

623

ления аммиака в крови? Как изменится концентрация мочевины в кро­ ви у данных больных?

Ответ: Нарушается процесс синтеза мочевины в печени. Кон­ центрация мочевины в крови понижается.

6.Активность какого фермента снижена в почках, если отмеча­ ется уменьшение выделения солей аммония с мочой, повышается экс­ креция натрия и калия и возникает ацидоз?

Ответ: Глутаминазы.

7.Объясните, почему при некоторых заболеваниях печени с ле­ чебной целью назначают метионин.

Ответ: Из метионина образуется S-аденозилметионин, который является донором метальной группы в реакциях трансметилирования. Трансметилирование происходит при синтезе фосфолипидов, необхо­ димых для построения мембран, а также в процессах обезвреживания ксенобиотиков, происходящем в печени.

S. Будут ли обнаруживаться признаки недостаточности аспартата при рационе, который богат аланином, но беден аспартатом?

Ответ: Нет. Азот аланина может посредством трансаминирования переноситься на оксалоацетат с образованием аспартата.

9. Почему дети с генетическим дефектом фенилаланингидроксилазы должны с пищей получать тирозин?

Ответ: При дефекте фенилаланингидроксилазы блокируется син­ тез тирозина из фенилаланина и тирозин должен поступать с пищей.

10.Животных длительное время содержали на белковой диете с искусственной смесью аминокислот, в которой отсутствовали глутами­ новая, аспарагиновая кислоты и серин, однако нарушений в развитии

этих животных не обнаружили. Как можно объяснить этот факт? Ответ: Данные аминокислоты синтезируются в организме.

Обмен нуклеиновых кислот. Матричные синтезы

1.Гистоны - это белки, содержащиеся в ядрах эукариотических клеток. Они прочно связаны с ДНК. ИЭТ гистонов очень велика (око­ ло 10,8). Какие аминокислоты должны присутствовать в гистонах в относительно больших количествах? Каким образом эти остатки обес­ печивают прочное связывание гистонов с ДНК?

Ответ: 1) положительно заряженные - лиз, арг и гис. 2) электро­ статическое притяжение между положительно заряженными амино­ кислотами и отрицательно заряженными фосфатными группами ДНК.

2.На каких матрицах в клетке, инфицированной онкогенным вирусом, происходит синтез: а) новых молекул вирусной РНК, б) ви­ русных белков?

624

Ответ: а) РНК онкогенных вирусов индуцирует в клетках обра­ зование молекул ДНК, в которых одна цепь комплементарна исходной РНК. Эта цепь ДНК и служит матрицей для построения новых вирус­ ных РНК при участии РНК-полимеразы. б) синтезированные вирусные РНК служат матрицей для построения вирусных белков.

3.В результате действия высокоактивного химического соеди­ нения, попавшего в клетку, оказались отщепленными азотистые осно­ вания от обоих нуклеотидов пары Г...Ц. Могут ли репарирующие сис­ темы поправить это повреждение?

Ответ: Нет, так как для репарирующих систем необходима не­ измененная матрица.

4.Единичная цепь (+) ДНК (А-21%, Г-29%, Т-21%, Ц-29%) реп­ лицируется ДНК-полимеразой с образованием комплементарной (—) цепи ДНК. Образовавшаяся двухцепочечная ДНК используется затем

вкачестве матрицы для РНК-полимеразы, транскрибирующей ■(-) цепь. Напишите каков будет нуклеотидный состав (процентное соот­ ношение) синтезируемой РНК?

Ответ: А-21%, Г-29%, У-21%, Ц-29%.' 5. Подберите характеристики, присущие процессу репликации и

репарации:

1.Матрицей является одна из нитей ДНК.

2.Матрицей для синтеза служат обе нити.

3.Субстратами являются дезоксирибонуклеозитрифосфаты.

4.Субстратами являются рибонуклеозитрифосфаты.

5.Процесс локализован в хроматине ядра и митохондриальной

ДНК.

6.Процесс протекает в S периоде клеточного цикла.

7.Процесс протекает постоянно на всех стадиях жизнедеятель­ ности клетки.

Ответ на каждый вопрос выберите из четырех, предлагаемых

Вам.

А - Характерно для репликации Б —Характерно для репарации.

С - Характерно для обоих процессов.

D - Не характерно ни для одного из процессов. Ответ: 1Б, 2А, ЗС, 4А, 5С, 6С, 7Б.

6. Производное уридина, фторурацил, превращается в клетке фтордезоксиуридилат - ингибитор тимидилат-синтазы. Как объяснить факт, что фторурацил подавляет рост быстро делящихся раковых кле­ ток у экспериментальных животных?

Ответ: Быстрое деление клеток, подобных раковым, зависит от скорости синтеза ДНК. Поскольку синтез ДНК лимитируется недос­

625

татком дезокситимидилата, блокирование синтеза последнего, вы­ званное фтордезоксиуридилатом, снижает скорость деления клеток и тем самым рост опухолей.

7. В химиотерапии рака часто применяют некоторые структур­ ные аналоги фолиевой кислоты (метотрексат, аминоптерин). Каким образом они подавляет рост раковых клеток? Можно ли ожидать, что они будут подавлять также и рост нормальных клеток?

Ответ: Метотрексат и аминоптерин (структурные аналоги фо­ лиевой кислоты) ингибируют дигидрофолатредуктазу, и тем самым блокируют синтез д ТМФ и ДНК. Ингибиторы синтеза дезоксирибонуклеотидов блокируют синтез ДНК и в нормальных клетках, поэтому они токсичны для организма.

8.У большинства организмов нуклеотиды не используются как источник энергии. Почему нуклеотиды являются относительно пло­ хим источником энергии у млекопитающих?

Ответ: Организмы не запасают нуклеотиды в качестве источни­ ка энергии и не расщепляют их до конца, а гидролизуют лишь до ос­ нований, а затем реутилизируют эти основания с помощью особых метаболических путей. Из-за низкого отношения углерода к азоту нуклеотиды представляют софй бедный источник энергии.

9.Аллопуринол, ингибитор ксантиноксидазы, используется для ■ лечения подагры. Какова биологическая основа такого лечения?

Ответ: Лечение аллопуринолом подагры приводит к двум био-' химическим последствиям. Во-первых, подавляется превращение ги­ поксантина в мочевую кислоту, в результате чего накапливается ги­

поксантин. Гипоксантин лучше, чем мочевая кислота, растворяется в крови и моче, и поэтому легче выводится из оганизма. Во-вторых, ин­ гибируется также превращение гуанина в мочевую кислоту. При этом накапливается ксантин, который, к сожалению, растворяется хуже, чем мочевая кислота. Это служит причиной образования ксантиновых камней.

10. Почему для стимуляции обмена нуклеиновых кислот исполь­ зуют препарат на базе пиримидинового основания - оротат калия и не используют препараты на базе пуриновых оснований?

Ответ: Для биосинтеза нуклеиновых кислот необходимы пири­ мидиновые и пуриновые азотистые основания. Пищевые пуриновые основания не используются в синтезе пуриновых нуклеотидов, а оротат может включиться в синтезируемый пиримидиновый нуклеотид путем присоединения фосфорибозилпирофосфата.

11. Циклофосфан, попадая в опухолевые клетки, расщепляется присутствующими там фосфатазами с образованием очень реакционноспособного алкилирующего агента, который взаимодействует с ДНК и

626

1

повреждает ее структуру. Какие матричные синтезы ингибирует этот препарат в опухолевых клетках?

Ответ: Репликацию и транскрипцию.

Гормоны

1. Для проявления биологического эффекта каких гормонов тре­ буется больше времени и почему?

Ответ: Для стероидных гормонов, так как эффект будет прояв­ ляться после появления в клетке вновь синтезированных белков.

2.Добавление адреналина к гомогенату печени приводит к по­ вышению активности гликогенфосфорилазы. Если гомогенат при вы­ сокой скорости (100000 g) центрифугировать и к надосадочной жид­ кости добавить адреналин, данный эффект не отмечается. Почему?

Ответ: При такой скорости центрифугирования аденилатциклаза (мембрансвязанный фермент) осаждается вместе с мембранами, что приводит к нарушению аденилатциклазного механизма действия ад­ реналина.

3.В чём заключается опасность резкой отмены глюкокортикои­ дов после длительного лечения этими препаратами?

Ответ: При длительном введении глюкокортикоидов по прин­ ципу обратной отрицательной связи происходит угнетение синтеза и секреции кортиколиберина, АКТГ (кортикотропина) и, следовательно, собственных кортикостероидов с последущим развитием атрофии ко­ ры надпочечников. Резкая отмена экзогенных глюкокортикоидов мо­ жет привести к синдрому острого гипокортицизма.

4.Больным с приступом бронхиальной астмы наряду с адрена­ лином часто вводят вещества, сходные с теофиллином из чая (напри­ мер, эуфиллин). Объясните цель и биохимическую основу совместно­ го применения этих препаратов.

Ответ: Цель —снять спазм гладкой мускулатуры бронхов. Адре­ налин расслабляет гладкую мускулатуру бронхов через аденилатциклазный механизм, стимулируя наработку цАМФ. Эуфиллин и теофиллин ингибируют фосфодиэстеразу, сохраняя наработанный цАМФ и пролонгируют, таким образом, действие адреналина.

5. Объясните механизм действия лекарственного препарата каптоприл, который ингибирует ангиотензин-превращающий фермент и применяется для лечения больных артериальной гипертензией?

Ответ: Прием каптоприла вызывает снижение концентрации ан­ гиотензина II и уменьшение секреции альдостерона. Это обусловлива­ ет снижение тонуса сосудов и, следовательно, снижение артериально­ го давления.

627

6. При анализе крови у небеременной женщины обнаружено что содержание прогестерона составляет верхнюю границу нормы. В какую стадию яичникового цикла был взят анализ крови?

Ответ: В лютеиновую стадию (желтое тело - основной источник прогестерона).

7.При анализе крови у небеременной женщины обнаружено, что содержание прогестерона приближается к нижней границе нор­ мы, а содержание эстрогенов достигает верхней границы нормы. В ка­ кую стадию яичникового цикла взят анализ крови?

Ответ: В конце фолликулиновой стадии (предовуляционный пик эстрогенов).

8.Некоторые ученые относят витамин Д к гормонам, прони­

кающим в клетку. Какую форму витамина можно рассматривать как гормон, регулирующий фосфорно-кальциевый обмен? Где она образу­ ется и при участии каких ферментов?

Ответ: Биологически активной формой является 1,25дигидроксихоле (или эрго) кальциферол (кальцитриол). Образование его происходит путем гидроксилирования витамина Д3 (или Дд) в пе­ чени в 25-ом положении в процессе микросомального окисления, а затем в почках в 1-ом положении под действием гидроксилазы 25гидроксикальциферола.

1,25-дигидрокснхолекальцнферол

Витамины

1.В каком витамине возрастает потребность при преимущест­ венно белковом питании? Почему?

Ответ: В витамине В6, который необходим для протекания спе­ цифических путей катаболизма аминокислот (см. роль вит. В6 в мета­ болизме).

2.Почему употребление в пищу большого количества сырых яиц может сопровождаться явлениями дерматита, себорреи, нарушением

функции периферической нервной системы?

Ответ: Гиповитаминоз витамина Н, вследствие наличия в сыром

628

курином белке антивитамина авидина.

3. Почему недостаточность витаминов В9, В]2 может привести к развитию мегалобластической анемии?

Ответ: Витамины В9, В(2 необходимы для процессов метилиро­ вания и трансметилирования, следовательно для синтеза нуклеотидов

инуклеиновых кислот.

4.В каком витамине возрастает потребность при преимущест­ венно углеводном питании? Почему?

Ответ: В витамине Вь См. роль вит Bi в метаболизме.

5.Какой витамин участвует в окислительно-восстановительных реакциях с присоединением и отщеплением протонов и электронов по изоалаксозиновому кольцу? Как называется этот процесс?

Ответ: В2, тканевое дыхание.

6.В конце XIX века и вначале XX века пеллагра была довольно распространенным заболеванием, особенно в сельской местности, где люди употребляли в пищу мало мяса, а питались в основном кукуру­ зой. Объясните, почему такое питание приводило к недостаточности

никотиновой кислоты?

Ответ: 'Кукуруза бедна триптофаном, из которого в организме’ может синтезироваться витамин РР.

7. Голуби, содержавшиеся на экспериментальной диете, утрачи­ вали координацию движений и способность удерживать свое тело в равновесии. Уровень пирувата в крови и мозгу этих птйц значительно превышал нормальный. Такое состояние проходило, если голубям да­ вали мясо. Объясните это явление.

Ответ: Недостаточность тиамина 8. У больных с патологией почек, несмотря на нормально сба­

лансированную диету, часто развивается заболевание, похожее на ра­ хит, сопровождающееся интенсивной деминерализацией костей. Ка­ кой витамин участвует в минерализации костей? Почему заболевание почек приводит к деминерализации?

Ответ: Для минерализации кости необходим витамин Д3. При заболеваниях почек нарушается полное гидроксилирование витамина Дз, т.е. образование его биологически активной формы —кальцитрио- ла.

9. Варфарин является антагонистом витамина К. Предложите молекулярный механизм действия варфарина в качестве антикоагу­ лянта.

Ответ: Варфарин ингибирует редуктазу, необходимую для об­ разования гидрохиноидной формы витамина К, в которой витамин К проявляет свою активность.

10. При постоянном приеме этанола (алкогольная болезнь) раз­

629

вивается гиповитаминоз Bi, симптомами которого являются расстрой­ ства нервной системы. Почему клетки нервной ткани так чувстви­ тельны к недостатку витамина В]?

Ответ: Витамин В] в форме тиаминпирофосфата участвует в функционировании пируват- и альфа-кетоглутарат.-дегидрогеназных комплексов (общий путь катаболизма). При гиповитаминозе В] будет нарушаться аэробный распад глюкозы, т.е. основной процесс, обеспе­ чивающий энергией клетки нервной ткани, что и вызовет нарушения их функционирования.

11. Пропионовая кислота является продуктом жизнедеятельно­ сти микрофлоры толстого кишечника. Она также образуется при окис­ лении жирных кислот с нечетным числом углеродных атомов. Какие витамины необходимы для дальнейшего превращения пропионовой кислоты до конечных продуктов? ,

Ответ: Биотин как кофермент пропионилкарбоксилазы для об­ разования метилмалонил-КоА и витамин В]2 для изомеризации ме- тилмалонил-КоА в сукцинат-КоА.

12.Производители пищевых продуктов, обогащенных витами­ нами, утверждают, дго витамины, полученные из природных источни­ ков, полезнее для здоровья, чем синтезированные искусственно (на­ пример, витамин С из плодов шиповника и искусственно синтезиро­ ванный). Отличаются ли витамины из этих двух источников, и может ли организм отличить их друг от друга?

Ответ: Витамины, полученные из этих двух источников иден­ тичны, и организм не может их отличить.

13.Мать 6-месячного грудного ребенка пожаловалась, что у него нарушился сон, появились беспокойство, повышенная чувствитель­ ность (гиперестезии), потливость, беспричинная плаксивость. При ос­ мотре у ребенка обнаружено облысение затылочка, повышенный крас­

ный дермографизм. В крови повышена активность щелочной фосфата­ зы, в моче —повышено содержание аммиака и аминокислот. С чем свя­ заны эти расстройства?

Для роста бактерий необходима фолиевая кислота. Если в пита­ тельной среде содержится аденин и тимидин, то бактерии могут хоро­ шо расти и при отсутствии фолиевой кислоты. Почему бактерии нуж­ даются в фолиевой кислоте? Почему потребность в фолиевой кислоте исчезает у бактерий при добавлении в культуральную среду аденина и тимидина? Ответ: У ребенка авитаминоз Д, в результате чего развился рахит.

Ответ: Фолиевая кислота необходима для образования тетрагидрофолиевой кислоты, которая участвует в синтезе цуриновых нуклео­ тидов и тимидилового нуклеотида. При добавлении в питательную сре­

630