IV. Эталоны ответов к ситуационным заданиям

IV.1. I модуль: Строение и свойства белков и ферментов

1

Лиз, Арг, Гис – это диаминомонокарбоновые кислоты. В нейтральной среде они имеют избыток (+) заряженных ионов за счет ионизации большого количества аминогрупп. Гистоны, имея в наличии избыток вышеназванных аминокислот, заряжены (+).

2

А. Глутамат, Аспартат.

_

COO COO

| ‌ |

CH-CH₂-CH₂-COO CH-CH₂-COO

| |

NH₃ NH₃

Б. Лизин, Аргинин, Гистидин.

COO COO

‌| |

CH-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-NH₃ CH-CH₂-CH₂-CH₂-NH-C-NH₃

‌| |

NH₃ NH₃ NH

COO

| H

CH N H

|

NH₃

N

3

Высокая температура вызывает денатурацию белка авидина: разрушение слабых связей, стабилизирующих четвертичную, третичную и вторичную структуры белка; разворачивание полипептидной цепи, разрушение специфических центров связи и потерю его активности. В результате нарушается способность авидина связывать биотин.

4

H⁺

П ри рН=3 отрицательно заряженные группы RCOO^- RCOOH, при этом остаются только R—NH₃ , пептиды перемещаются к катоду или остаются на старте.

а: 1- к катоду; 2- к катоду; 3- к катоду; 4- на старте; 5- к катоду.

б: 1- на старте; 2- к аноду; 3- к аноду; 4- к аноду; 5- на старте.

5

А. 1,2

Б. Ионы солей, притягивая молекулы воды, уменьшают количество воды, взаимодействующей с белками. Кроме того, эти ионы избирательно адсорбируются на поверхности белка и нейтрализуют его заряды. Дегидратация и снижение величины заряда белка приводят к осаждению белка.

В. При одной и той же концентрации соли растворимость тех белков ниже, на поверхности которых содержится меньшее количество ионизированных гидрофильных групп и больше молекулярная масса.

6.

а) 1,2,3,4,5

б) 1,6

в) денатурация белка – разрушение четвертичной, третичной и вторичной структур белка вследствие разрушения связей, которые их стабилизировали. При денатурации происходит разворачивание полипептидной цепи с выходом гидрофобных групп на поверхность белка, снижается его растворимость и теряется биологическая активность белка.

Соли тяжелых металлов образуют прочные ковалентные связи с функциональными группами белков (чаще всего с - SH), нарушается структура и активность белка.

Повышение температуры более 45-50⁰С приводит к увеличению теплового движения атомов в молекуле, что способствует разрыву слабых связей в молекуле белка.

7.

А. 1- ионная; 2- гидрофобная; 3- водородная; 4- водородная; 5- водородная; 6-дисульфидная (ковалентная).

Б. Вторичная структура- 4; третичная структура- 1,2,3,5,6.

8. А.

-NH-CH-CO-NH-CH-CO-NH-CH-CO-NH-CH-CO-NH-CH-

Тир Цис Лей Арг Вал

-CO-NH-CH-CO-NH-CH-CO-

Асп Ала

Б.1-Лей, Вал, Ала; 2- Арг, Асп; 3-Тир, Цис, Арг, Асп; 4-Цис.

В. В формировании третичной и четвертичной структур.

Третичная структура белка – способ укладки –спирали или –структуры в пространстве (глобулярные, фибриллярные белки). Третичную структуру стабилизируют ионные, водородные, ковалентные (дисульфидные) связи и гидрофобные взаимодействия.

Четвертичная структура белка – это объединение нескольких полипептидных цепей с третичной структурой в единую функциональную молекулу белка.

9

1. В данном белке преобладают дикарбоновые аминокислоты.

2. Так как ИЭТ белка =4,7, следовательно, его заряд в нейтральной среде (-).

3.При рН 8,3 высокая концентрация ОН^—будет нейтрализовать NH₃ группы в белке. Следовательно, в этих условиях отрицательный заряд белка увеличится.

COOH

R COOH

NH₂

H₂O H⁺ + OH^—

H⁺

ИЭТ

ОН^—

COO^— COO^— COOH

+

+

+

R COO^— R COO^— R COO^—

NH₃ NH₃ NH₃

При рН 8,3 при рН=7 в ИЭТ

Z – Z – Z=0

4. Данный белок при рН 7.0 и 8,3 будет перемещаться к аноду.

10

Белки, фракционированные методом осаждения (высаливания) для дальнейшего их использования, часто необходимо очищать от низкомолекулярных соединений (солей). С этой целью проводят диализ. Диализ – это метод очистки коллоидных растворов (в частности, белков) от низкомолекулярных примесей (солей), основанный на свойстве мембран (естественных и искусственных, например, из коллоида, целлофана, пергамента и др.) пропускать только вещества с малой молекулярной массой и задерживать высокомолекулярные соединения. Диализ широко применяется в медико-биологических исследованиях. На его основе создан аппарат «искусственная почка».

11

1-В, 2-С, 3-А.

Электрофорез белков - метод разделения белков под действием электрического поля. Он основан на свойстве заряженных частиц (белков) перемещаться под действием электрического поля.

Диализ - процесс разделения высокомолекулярных и низкомолекулярных частиц с помощью полупроницаемых мембран. Метод основан на неспособности крупных молекул (белков) проникать через полупроницаемые мембраны. В то же время низкомолекулярные примеси легко проходят через поры полупроницаемых мембран.

Высаливание – осаждение белков под действием высоких концентраций солей щелочных и щелочно-земельных металлов. При этом молекулы белков лишаются гидратных оболочек, нейтрализуется их заряд, что приводит к агрегации и выпадению белка в осадок.

12

100

15 · 0,05

Е уд = ≈ 133 мкмоль Р(тирозин) ∙ мин^-1 ∙ мг^-1 .

а - : т.к. изменится конформация фермента, его активный центр в результате смены ионизации функциональных групп.

б - : как результат денатурации. разрыва, прежде всего, слабых межрадикальных взаимодействий в молекуле белка энзима.

в - : произойдет конкурентное ингибирование энзима.

13

А. 1 - ; 2 - ; 3 -; 4 - . Т.к. 1,2,3 – реагирующие субстраты, а 4 – фермент.

Б. График зависимости скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата (S) имеет вид гиперболы. При увеличении концентрации S скорость реакции сначала быстро возрастает (а), далее прирост скорости замедляется (б), и далее скорость достигает максимального значения и более не увеличивается, оставаясь постоянной (в). Это объясняется тем, что весь фермент насыщен S.

Накопление продуктов реакции замедляет протекание реакции, так как приводит: а) к ингибированию фермента, б) сдвигает равновесие реакции в обратную сторону.

В. Оксалоацетат используется как субстрат глюконеогенеза или как пусковой субстрат ЦТК, а также предшественник аспартата и аспарагина.

14

100

15

Е = ≈ 6,7 мкмоль (уксусной кислоты)/мин.

1. ↑. По правилу Вант-Гоффа.

2. ↓. Прозерин (структурный аналог ацетилхолина) оказывает своё терапевтическое действие по механизму конкурентного ингибирования. При добавлении этого ингибитора активность ацетилхолинэстеразы уменьшается, концентрация ацетилхолина (субстрата) увеличивается, что сопровождается усилением проведения нервного импульса. Ингибиторы холинэстеразы используют при лечении мышечных дистрофий.

Гидролиз эфирной связи

СН₃ СН₃

|

N⁺ CH₂ CH₂ O C O H

С Н₃ СН₃ O

Участок каталитический

связывания АХ участок

Ацетилхолинэстераза

А. Присоединение ацетилхолина (АХ) в активный центр фермента.

СН₃ Н₃С N СН₃

|

N⁺ O C O H

С Н₃ СН₃ O

Участок

связывания прозерина

Б. Присоединение конкурентного ингибитора – прозерина в активном центре фермента.

3. ↑. Т.к. с повышением концентрации субстрата, последний вытесняет ингибитор (I) из EI-комплекса, образуя ES-комплекс.

15

А. Глутаминовой кислоты, СО₂,  - аминомасляной кислоты.

Б. С участием пиридоксальфосфата. В его состав входит витамин В₆ (пиридоксин), который преобразуется в пиридоксаль и соединяется с остатком фосфорной кислоты.

В. Необходимо увеличить концентрацию субстрата – глутаминовой кислоты, количество энзима и кофермента пиридоксальфосфата.

Г.  - Аминомасляная кислота регулирует процессы возбуждения в ЦНС. Содержание ГАМК в головном мозге значительно выше других нейромедиаторов. ГАМК увеличивает проницаемость постсинаптических мембран для ионов К⁺, что вызывает торможение нервного импульса.

16

А. Ингибирование регуляторного фермента (Е₃).

Б. Фосфофруктокиназа (Е₃) катализирует необратимую и самую медленную реакцию метаболического пути.

В. Аллостерическая регуляция. Она обусловлена наличием четвертичной структуры фермента. Фермент имеет активный и аллостерический центры, находящиеся на разных субъединицах. При повышении уровня АТФ в клетке:

- АТФ взаимодействует с аллостерическим центром фермента Е₃;

- изменяется конформация фермента Е₃;

- снижается сродство Е₃ к субстрату;

- снижается скорость реакции, катализируемой Е₃;

- снижается скорость данного метаболического пути.

17

4 - Подавлением микрофлоры кишечника. Сульфаниламиды (СА) – структурные аналоги парааминобензойной кислоты.

O O

H₂N C – OH H₂N S – NH₂

O

Парааминобензойная кислота Сульфаниламид

При попадании в клетку бактерии СА подавляет синтез фолиевой кислоты (конкурентное ингибирование: синтезируется не фолиевая кислота, а ее аналог, содержащий СА – компонент вместо остатка парааминобензойной кислоты). В результате в бактериальной клетке возникает недостаточность фолиевой кислоты, нарушаются реакции, в которых она участвует, и размножение бактерий в кишечнике становится невозможным. Т.е. нарушается бактериальный синтез витамина и возникает гиповитаминоз В₉.

18

А. Константа Михаэлиса-Ментен (К_m) – это концентрация субстрата, при которой скорость реакции составляет половину максимальной. К_m характеризует сродство фермента к субстрату: чем ниже значение К_m фермента, тем выше его сродство к субстрату и наоборот.

Б. Гексокиназа

В. В период пищеварения концентрация глюкозы (Г) в воротной вене может превышать 10 ммоль/л. В результате активность глюкокиназы в гепатоцитах повышается. Это ускоряет фосфорилирование Г и синтез гликогена, что предотвращает чрезмерное повышение ее концентрации в крови в абсорбтивном периоде.

Гексокиназа отличается от глюкокиназы высоким сродством к Г (Кm < 0.1 ммоль/л). Следовательно, этот фермент, в отличие от глюкокиназы, активен при низкой концентрации Г в крови, что характерно для постабсорбтивного состояния. Печень в этот период поглощает гораздо меньше Г, тогда как потребление Г мозгом, эритроцитами и др. тканями обеспечивается активной в этих условиях гексокиназой.

19

А. 1) в качестве заместительной терапии (при наследственной или приобретенной недостаточности ферментов ЖКТ)

2) в комплексной терапии при различных заболеваниях.

Б.

• Пепсин, трипсин, химотрипсин, амилаза, липаза. Используются как заместительная энзимотерапия при заболеваниях ЖКТ, сопровождающихся снижением синтеза данных ферментов.

• Трипсин и химотрипсин используют для очистки гнойных и некротических ран, лечении сильных ожогов, отморожений и пролежней. Они расщепляют белки мертвых тканей.

• Плазмин, урокиназа – тромболитическое средство, способны быстро разрушать (гидролизовать) тромб.

20

А . Оксидоредуктаза.

Б . НАД , витамин РР. НАД (никотинамидадениндинуклеотид), состоит из амида никотиновой кислоты, рибозо-5-фосфата, АМФ, участвует в окислительно-восстановительных реакциях.

50 мкмоль пирувата

0,5 мин · 1 мг

В . Е_уд = =100 мкмоль S · мин · мг

Удельная активность – это число единиц ферментативной активности в расчете на 1 мг белка (фермента).

Г. Анаэробный гликолиз. Благодаря этой реакции происходит регенерация НАД, что позволяет при превращении глюкозы в лактат получать АТФ в условиях дефицита О₂.

21

А. Аллостерические ферменты имеют аллостерический центр (центры). Их активность изменяется (увеличивается или уменьшается) при присоединении эффекторов. Эффекторами аллостерических ферментов могут быть: промежуточные метаболиты, конечные продукты метаболических путей, субстраты метаболических путей, кофакторы и коферменты, гормоны, лекарственные препараты. Аллостерическая регуляция имеет обратимый характер.

Б. 1. Эффектор присоединяется в аллостерическом центре.

2. Изменяется конформация аллостерического центра.

3. Изменяется конформация фермента

4. Нарушается комплементарность активного центра субстрату.

5. Изменяется конформация активного центра.

6. Уменьшается скорость ферментативной реакции.

22

А.

1. Регуляция путем ассоциации и диссоциации субъединиц

2. Регуляция путем фосфорилирования или дефосфорилирования

3. Аллостерическая регуляция

4. Частичный протеолиз

5. Регуляция путем фосфорилирования или дефосфорилирования

Б. 1. Неактивная протеинкиназа А состоит из 4 протомеров: двух каталитических (С₂) и двух регуляторных (R₂). В ходе активации энзима происходит диссоциация комплекса R₂C_2, отсоединяются регуляторные (R₂) субъединицы и возрастает активность каталитических (С₂) субъединиц.

2 и 5. В результате фосфорилирования (присоединение остатка фосфорной кислоты) или дефосфорилирования (отщепление остатка фосфорной кислоты) происходит изменение заряда, конформации фермента и его активного центра.

3. Механизм аллостерической регуляции см. задачу 21.

4. Активация фермента происходит путем отщепления от него части пептидной цепи.

23

А. Ацетилирование NH₂ – группы фермента. Ингибирование этого фермента аспирином отражает следующая схема:

COOH COOH

E -NH₂ + H₃C-C-O E-NH-C-CH₃ + HO

║ ║

• O

«активный фермент» «неактивный салициловая

фермент» кислота

Б. Необратимое ингибирование. Ингибитор необратимо связывается с NH₂-группой активного центра фермента. В результате этого субстрат не может присоединиться к активному центру. Активность фермента после удаления ингибитора не восстанавливается.

24

гидролиз

А . Декстрины мальтоза + изомальтоза

Класс: гидролазы; подкласс: гликозидазы

Б. Низкая.

В. В сыворотке крови и моче резко увеличивается активность амилазы.

Г. Повышение проницаемости мембран клеток поджелудочной железы и её некроз.

25

Сукцинат + ФАД → фумарат + ФАДН₂

Это реакция ЦТК, значение процесса – получение АТФ

10

5 · 1

Е _уд = = 2 мкмоль Р (фумарат) · мин ^-1· мг^-1.

а - ↓. Изменение конформации фермента, его активности в результате изменения ионизации функциональных групп.

б - ↓. Конкурентное ингибирование.

в - ↑. Вытеснение конкурентного ингибитора (малоновой кислоты) субстратом (янтарной кислотой) из активного центра сукцинатдегидрогеназы.

26

1.. Изменение ионизации функциональных групп приводит к изменению

конформации фермента и его активного центра.

2. . Денатурация: разрушение слабых связей, стабилизирующих третичную и вторичную структуры белка; разворачивание ППЦ, разрушение активного центра фермента, потеря активности.

3. . Соли тяжелых металлов (меди, свинца и др.) образуют с белками нерастворимые комплексы, а также вызывают денатурацию белков.

4. Активность фермента не восстановится, так как имеет место необратимое ингибирование фермента.

27

ЛДГ катализирует обратимую реакцию:

п

ЛДГ

ируват + НАДН₂ лактат + НАД

пируват → лактат - заключительная реакция анаэробного гликолиза,

лактат → пируват – реакция глюконеогенеза

20

30 ∙ 5

Е уд = = 0,13 мкмоль Р(лактат) ∙ мин^-1 ∙ мг^-1.

а - ↓. Изменение конформации фермента, его активного центра в результате изменения ионизации функциональных групп.

б - ↓. НАД - кофермент обратной реакции, следовательно, понизится скорость только этой реакции.

28

а) ДФФ и подобные соединения (зарин) являются необратимыми ингибиторами ферментов, в активном центре которых присутствует остаток серина. Они ковалентно связываются с радикалами серина в активном центре и необратимо ингибируют ферменты.

б) симптомы отравления фосфорорганическими соединениями связаны в основном с необратимым ингибированием ацетилхолинэстеразы, которая

ускоряет гидролиз ацетилхолина на ацетат и холин, которые не способны действовать как нейромедиаторы. Гидролиз ацетилхолина – важный этап в блокировании проведения нервного импульса. Увеличение количества ацетилхолина в синаптической щели при ингибировании ацетилхолинэстеразы приводит к стойкой деполяризации постсинаптической мембраны и может вызвать паралич скелетных мышц, что становится причиной остановки внешнего дыхания.

29

А. 1-А, 2-С, 3-В, 4-D

Б. НАД⁺- никотинамидадениндинуклеотид (РР, В₅-никотинамид),

ФАД⁺- флавинадениндинуклеотид (В₂-рибофлавин)

ТПФ-тиаминпирофосфат (В₁-тиамин)

ПФ-пиридоксальфосфат (В₆-пиридоксаль);

­ Биотиновый кофермент (витамин Н)

В. 1. Дегидрогеназы (ЛДГ) относятся к классу оксидоредуктаз и катализируют окисление субстратов путем их дегидрирования (отщепления водорода).

2. Аминотрансферазы (ГПТ, ГОТ) относятся к классу трансфераз и катализируют перенос аминогруппы с аминокислоты на α-кетокислоту.

3. Декарбоксилазы (пируватдекарбоксилаза) кетокислот относятся к классу лиаз и катализируют реакции распада, сопровождающиеся выделением СО₂

4. Карбоксилазы (ацетил-КоА-карбоксилаза) относятся к классу лигаз (синтетаз) и катализируют присоединение к субстрату СО₂ с образованием карбоксильной группы.

30

А. Аргиназа – это фермент орнитинового цикла, катализирующий реакцию распада аргинина на мочевину и орнитин.

Б. При отклонении pH среды и t от оптимальных значений активность аргиназы снижается.

В. При повышении t°C более 50^○ происходит разрыв слабых связей в молекуле фермента, изменяется конформация фермента, начинается его денатурация. Снижение pH до 5 вызывает изменение ионизации функциональных групп фермента и субстрата, изменяются их заряд и конформация.

31

I – сближение, ориентация и увеличение комплементарности между субстратом и активным центром фермента;

II - индуцированное напряжение в химических связях субстрата, перераспределение электронной плотности в химических связях субстрата;

III - образование новых химических связей в молекулах субстрата, т.е. продуктов реакции, и их удаление из активного центра энзима.

32

1) Малонат - структурный аналог сукцината, связывается в активном центре СДГ, но не может дегидрироваться, то есть механизм - конкурентное ингибирование;

2) Ингибирование СДГ малонатом можно устранить, повысив концентрацию сукцината.

3) Сукцинатдегидрогеназа относится к классу оксидоредуктаз. Кофермент ФАД, производное витамина В₂ (рибофлавина).

33

1. КК относится к классу трансфераз.

2.Фермент КК представлен 3 изоферментами, различающимися по электрофоретической подвижности:

ВВ - в наибольшем количестве присутствует в мозге

МВ - в наибольшем количестве присутствует в сердечной мышце

ММ - присутствует в основном в клетках скелетных мышц

3.Активность МВ-изоформы в сыворотке крови повышается при инфаркте миокарда. Активность ММ-формы в сыворотке повышается при прогрессирующей мышечной дистрофии.