Ситуационные задачи по биохимии с решением

а) напишите реакции главного этапа гликолиза

--------------------------------------->

б) объясните, почему возможно образование АТФ в отсутствии кислорода

Это возможно благодаря анаэробному гликолизу – процессу расщепления глюкозы с образованием в качестве конечного продукта лактата. Анаэробный гликолиз: позволяет синтезировать АТФ при недостатке кислорода в тканях, особенно:

•в мышцах в первые минуты мышечного сокращения;в эритроцитах, не имеющих митохондрии;

•в клетках злокачественных опухолей.

Для большинства тканей – это аварийный путь, т.к. обеспечивает энергией в условиях гипоксии, при тяжелом физическом труде, болезнях органов дыхания и сердечно-сосудистой системы.

в) напишите реакцию, катализируемую ЛДГ5 в скелетных мышцах и укажите отличия в сродстве к субстрату ЛДГ1 и ЛДГ5

Сама мышечная клетка ни при работе, ни во время отдыха не способна превратить лактат в пируват из-за низкого сродства изофермента ЛДГ-5 к лактату. Поэтому во время и после нагрузки (при восстановлении) лактат удаляется из скелетных мышц.

В печени и миокарде отношение НАДН/НАД+ ниже, чем в сокращающейся мышце, поэтому активны ЛДГ1 и ЛДГ2, обладающие большим сродством к лактату, чем ЛДГ5.

Ответ: нет, мышца не может работать в отсутствии лактатдегидрогеназы, так как этот фермент обеспечивает поступление НАД+ в 1-ую реакцию второго этапа гликолиза (гликолитическая оксидоредукция).

Задача №4. Спринтер и стайер соревнуются на двух дистанциях – 100 м и 10 км. Спринтер завершает стометровку, стайер бежит десятый километр. Укажите различия в энергетическом обеспечении работы мышц у этих бегунов. Для решения задачи:

C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O (+2820 кДж/моль)

Б) Витамин B1 (тиаминдифосфат/тиаминпирофосфат) - кофермент, входящий в состав пируватдегидрогеназного комплекса. Пируватдегидрогеназный комплекс обеспечивает окислительное декарбоксилирование пирувата (метаболита аэробного гликолиза). Во втором случае, т.е. когда глюкоза вводится без витамина В1, скорость процесса окислительного декарбоксилирования пирувата значительно снижена, пируват превращается в лактат (анаэробный гликолиз). Это может привести к развитию ацидоза.

в) Энергетический эффект аэробного окисления глюкозы до углекислого газа и воды составляет 32 моль АТФ. В ходе аэробного гликолиза, во время которого глюкоза окисляется до ПВК, происходит выделение 7 моль АТФ; в ходе окислительного декарбоксилирования ПВК (две молекулы ПВК преобразуются в две молекулы ацетил-КоА) выделяется 5 моль АТФ; в ходе цикла трикарбоновых кислот (окисление двух молекул ацетил-КоА до двух молекул СО2) выделяется 20 моль АТФ. Таким образом, суммарно выделяется 32 моль АТФ.

Если подробнее, прям из конспекта:

Реакции, связанные с синтезом АТФ в аэробном гликолизе, протекают на втором этапе, где происходят две реакции субстратного фосфорилирования и синтезируется две молекулы АТФ (реакции 7 и 10). Кроме того, одна молекула глицеральдегид-3-фосфата дегидрируется (реакция 6), а НАДН передает водород в митохондриальную ЦПЭ, где синтезируется 2,5 или 1,5 молекулы АТФ путем окислительного фосфорилирования (в зависимости от челночного механизма, который работает в клетке). Следовательно, окисление до пирувата одной молекулы глицеральдегид- 3- фосфата сопряжено с синтезом 4,5 молекул АТФ (если участвует малатаспартатный челнок). Учитывая, что из глюкозы образуется две фосфотриозы, полученную величину нужно удвоить и затем вычесть две молекулы АТФ, затраченные на первом этапе. Таким образом, суммарный эффект аэробного гликолиза составляет (4,5 х 2) - 2 = 7 АТФ. Дальнейшее окисление двух моль пирувата в общих путях катаболизма сопровождается синтезом 25 моль АТР (по 12,5 моль на каждую молекулу пирувата. Следовательно, суммарный энергетический эффект аэробного распада глюкозы до конечных продуктов составляет 32 моль АТФ.

Задача №7.

А) Молочная кислота (лактат) является продуктом анаэробного гликолиза (путь катаболизма глюкозы при отсуствии кислорода)

Б) В клетках мышц первого спортсмена, пробежавшего 100 метров, будет содержаться больше лактата, чем в клетках мышц второго спортсмена, пробежавшего 5000 метров. Окисление глюкозы в мышцах первого спортсмена протекает в условиях анаэробного гликолиза, который активировался в следствие недостатка кислорода в первые минуты мышечной работы. У второго спортсмена окисление глюкозы уже проходит в условиях аэробного гликолиза, в ходе которого образуется пируват (количество кислорода в мышцах достаточно).

В) При аэробном гликолизе выделяется больше моль АТФ, чем при анаэробном.

Энергетический эффект при аэробном гликолизе составляет 7 моль АТФ:

В ходе 7 и 10 реакций аэробного гликолиза синтезируется две молекулы АТФ, одна молекула глицеральдегид-3-фосфата дегидрируется в ходе шестой реакции, а НАДН передает водород в митохондриальную ЦПЭ, где синтезируется 2,5 молекулы АТФ (если участвует малатаспартатный челнок). Следовательно, окисление до пирувата одной молекулы глицеральдегид- 3- фосфата сопряжено с синтезом 4,5 молекул АТФ. Учитывая, что из глюкозы образуется две фосфотриозы, полученную величину нужно удвоить и затем вычесть две молекулы АТФ, затраченные на первом этапе. Таким образом, суммарный эффект аэробного гликолиза составляет

(4,5 х 2) - 2 = 7 АТФ.

Глюкоза + 2Н3РО4 + 2АДФ + 2НАД+ --> 2ПВК + 2АТФ + 2Н2О + 2НАДН + Н+ Энергетический эффект при анаэробном гликолизе:

Анаэробный гликолиз протекает в отсутствие кислорода, поэтому не зависит от работы митохондриальной дыхательной цепи. Синтезируется всего 2 моль АТФ в реакциях субстратного фосфорилирования.

Глюкоза + 2 Н3РО4 + 2 АДФ = 2 Лактат + 2 АТФ + 2 Н2О

Задача №8.

А) В пентозофосфатном пути выделяют окислительный и неокислительный этапы.

Б) На окислительном этапе глюкозо-6-фосфат необратимо окисляется в пентозу - рибулозо-5- фосфат. Рибулозо-5-фосфат при определенных условиях, когда пентозофосфатный путь завершается на окислительном этапе, может превращаться в рибозо-5-фосфат, который в свою очередь будет расходоваться для биосинтеза мононуклеотидов (АМФ, ГМФ, УМФ, ЦМФ, ТМФ); нуклеиновых кислот (ДНК, РНК); коферментов (НАД+ , НАДФ+ , ФАД, КоА-SН). Энергия, выделяющаяся при распаде глюкозы, трансформируется в энергию высокоэнергетического донора водорода - НАДФН, который может использоваться в реакциях восстановления жирных кислот, стероидных гормонов, холестерина, желчных кислот, заменимых аминокислот; для обезвреживания токсических веществ и лекарственных препаратов; в системе антиоксидантной защиты клетки как кофермент глутатионредуктазы для восстановления глутатиона; для превращения рибонуклеотидов в дезоксирибонуклеотиды под действием НАДФ-зависимой рибонуклеотидредуктазы; в фагацитозе при образовании активных форм кислорода.

Биологическое значение неокислительного этапа: рибулозо-5-фосфат обратимо превращается в рибозо-5-фосфат и метаболиты гликолиза. Данный этап может служить для образования гексоз из пентоз. С помощью этого пути избыток пентоз, превышающий потребности клетки, может быть возвращен в фонд гексоз. Промежуточные продукты пентозофосфатного пути превращения глюкозы (фруктозо-6-фосфат, глицеральдегид-3-фосфат) могут включаться в пути аэробного и анаэробного окисления и служить источником энергии для синтеза АТР.

В)

Метка будет находиться на 5-ом атоме углерода в рибозо-5-фосфате.

Задача №9.

А) Пентозофосфатный путь (ПФП) – это сложный ферментативный процесс прямого аэробного окисления фосфорилированной глюкозы до CO2 и H2O, сопровождающийся образованием восстановленного кофермента НАДФ. ПФП служит альтернативным путём окисления глюкозо-6- фосфата.

Б) На окислительном этапе глюкозо-6-фосфат необратимо окисляется в пентозу - рибулозо-5- фосфат. Энергия, выделяющаяся при распаде глюкозы, трансформируется в энергию высокоэнергетического донора водорода - НАДФН.

На неокислительном этапе рибулозо-5-фосфат обратимо превращается в рибозо-5-фосфат и метаболиты гликолиза.

Если клетка нуждается в больших количествах НАДФН (например, синтез жирных кислот и холестерина в печени), то активно идут реакции окислительной и неокислительной ветви ПФП, а образованные фруктозо-6-фосфат и глицеральдегидфосфат превращаются в глюкозо-6-фосфат и цикл повторяется снова.

Если клетке нужны НАДФН и энергия АТФ (как в эритроцитах), то образованные фруктозо-6- фосфат и глицеральдегидфосфат включаются в гликолиз.

Если клетка растет и делится, то ей необходимы НАДФН и рибозо-5-фосфат. В этом случае второй этап идти не будет, весь образованный рибулозо-5-фосфат превратится в рибозо-5-фосфат

Метка не будет обнаружена в пентозе, так как меченый атом 14С был удален в составе СО2в результате декарбоксилирования 6-фосфоглюконовой кислоты.

Задача №10.

А)

Б) Активность фермента определяется его сродством к субстрату. Между значением константы Михаэлиса и сродством к субстрату существует обратно пропорциональная зависимость - чем больше значение константы Михаэлиса, тем меньше сродство к субстрату. Соотвтественно, активность фермента будет больше в том случае, если значение Константы Михаэлиса будет как можно ниже.

В) Глюкокиназа катализирует фосфорилирование глюкозы в гепатоцитах в период пищеварения (абсорбтивный период). В этот период концентрация глюкозы в воротной вене больше, чем в других отделах кровяного русла, и может превышать 10 ммоль/л. Максимальная активность глюкокиназы обеспечивает поступление глюкозы в клетки печени и ее фосфорилирование. Глюкокиназа не ингибируется продуктом реакции (глюкозо-6-фосфатом), поэтому большая часть глюкозо-6-фосфата запасается в печени, где расходуется далее на процессы гликолиза и глюконеогенеза.

Гексокиназа активна при концентрации глюкозы в крови, соответствующей физиологической норме, и обеспечивает потребление глюкозы мозгом, эритроцитами и другими тканями между

приемами пищи (постабсорбтивный период). Гексокиназа ингибируется глюкозо-6-фосфатом, соответственно мышцы не могут запасать глюкозо-6-фосфат.

6. Продукты, содержащие крахмал, принято солить. В чем состоит участие ионов натрия и хлора в усвоения крахмала? Для ответа:

1.напишите схему переваривания крахмала в ЖКТ

2.укажите ферменты, активатором которого являются ионы хлора

3.укажите механизмы всасывание моносахаридов в кишечнике и роль ионов натрия в этом процессе.

Ответ:

1)

2)Ионы хлора являются активаторами амилазы слюны (фермент, гидролизующий крахмал), необходим для выработки соляной кислоты в желудке.

3)Ионы натрия участвуют во всасывании глюкозы. Есть два механизма всасывания моносахаридов в кишечнике: путём облегчённой диффузии и активного транспорта. В случае активного транспорта глюкоза и Na+ проходят через мембраны (по градиенту концентрации) с люминальной стороны, связываясь с разными участками белкапереносчика.

8. Больным сахарным диабетом назначают препарат «Акарбоза», который являются конкурентным ингибитором α-гликозидаз. Объясните, как повлияет лечение этим препаратом на уровень глюкозы в крови пациентов. Для ответа:

1.приведите схему переваривания углеводов ЖКТ

2.перечислите ферменты, которые ингибируется этими лекарствами, напишите схемы реакций, катализируемых этими ферментами

3.объясните ингибирующие действие «Акарбоза».

Ответ:

1)

2) Акарбоза ингибирует ферменты (гликозидные гидролазы), необходимые для переваривания углеводов, в частности, ферменты α-глюкозидазы и поджелудочные α-амилазы.

3) Акарбоза угнетает ферменты, расщепляющие сложные углеводы (крахмал), тем самым уменьшают всасывание глюкозы в кишечнике. Сахара, первоначально расщепляются в кишечнике до простых сахаров при помощи ферментов. Акарбоза выполняет роль «пищевой ловушки», конкурентно и обратимо связываясь с ферментами тонкой кишки (с α-глюкозидазами – часто называют мальтазами, поджелудочными α-амилазами), участвующим в переваривании углеводов. А поскольку фермент оказывается занятым акарбозой, то поступающие с пищей поли- и олигосахариды не расщепляются и не всасываются.

9. Рассчитайте, сколько молекул АТФ и УТФ надо потратить, чтобы включить в состав гранул гликоген 100 молекул глюкозы? Для ответа:

1.на вопрос запишите схемы синтез гликогена

2.укажите реакции, идущие с затратой энергии

3. напишите структурные формулы АТФ и УТФ

Ответ 1:

1) Для включения в молекулу гликогена 100 молекул глюкозы, нужно затратить 100 УТФ и 200 АТФ (в процессе гликогеногенеза затрачивается 1 молекула УТФ и 2 АТФ - одна на фосфорилирование глюкозы, другая для фосфорилирования УДФ)

2.) Первая реакция: D-глюкоза + ATP → D-глюкозо-6-фосфат + ADP

Третья реакция: Глюкозо-1-фосфат + UTP → UDP-глюкоза + Н3РО4

Фосфорилирования УДФ: УДФ + АТФ → УТФ + АДФ

3) АТФ (C10H16N5O13P3)

УТФ (CH N O P )

Ответ 2:

1)(Схемы те же) Для включения в молекулу гликогена 100 молекул глюкозы, нужно затратить 100 УТФ и 100 АТФ

2)(Схемы те же) Первая реакция: D-глюкоза + ATP → D-глюкозо-6-фосфат + ADP

Третья реакция: Глюкозо-1-фосфат + UTP → UDP-глюкоза + Н3РО4

3)Также

10. Основное значение регуляция скорости синтеза и распада гликогена в печени заключается в постоянной концентрации глюкозы в крови. Объясните роль гормонов регуляция активности ключевых ферменты обмена гликогена. Для ответа:

1.назовите регуляторные ферменты синтеза и распада гликогена

2.укажите способы регуляция активности регуляторных ферментов синтеза и распада гликогена (приведите соответствующие схемы)

3.определите роль процессов синтеза и распада гликогена в печени и скелетных мышцах в поддержании концентрации глюкозы в крови. Укажите концентрацию глюкозы в крови в норме.

Ответ:

1)Гликогенсинтаза и гликогенфосфорилаза

2)Влияние гормонов на синтез и распад гликогена осуществляется путём изменения в противоположных направлениях активности двух ключевых ферментов, с помощью их фосфорилирования и дефосфорилирования. Гликогенфосфорилаза активируется после присоединения фосфатной группы, а гликогенсинтаза после присоединения фосфата инактивируется. Гормоны, регулирующие метаболизм гликогена: инсулин (фосфорилирует) и глюкагон (дефосфорилирует). Первичный сигнал для их синтеза - изменение концентрации глюкозы в крови. При повышении инсулин/глюкагонового индекса идет синтез гликогена, при