2 курс / Биохимия / Н.Ю.Коневалова - Биохимия

Обмен липидов

1. Что означает выражение «жиры сгорают в пламени углеводов» и почему этот процесс нарушается при голоде и диабете?

Ответ: В результате катаболизма жиров (бета-окисление жирных 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 диабете в клетке образуется мало пирувата, а, следовательно, и ЩУК. Из-за возникающего относительного дефицита ЩУК ацетил-КоА накапливается и превращается в кетоновые тела.

2. В гепатоцитах человека, злоупотребляющего алкоголем, нарушен синтез фосфолипидов и белков. Как это повлияет на содержание в печени нейтральных жиров?

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

3. Как распределяется изотопная метка в молекуле пальмитиновой кислоты, синтезированной из малонил-КоА, меченого 14С по углеродному атому карбоксильной группы?

Ответ: Метка не будет обнаруживаться, так как она теряется в виде СО2.

4. С чем связано гемолитическое действие змеиного яда? Ответ: Наличием фосфолипазы А2 – фермента, отщепляющего

жирную кислоту из положения 2 фосфатидилхолина мембран эритроцитов и переводящего его в детергент – лизофосфатидилхолин.

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

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

6. Объясните, какими свойствами липидов мембран обеспечивается 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 ги д- рофобную части. Чтобы уменьшить соприкосновение гидрофобной части молекулы с водой, липиды формируют двумерные пленки, в ко-

621

торых гидрофильные части обращены к воде, а гидрофобные расположены на внутренней стороне пленки. Более того, чтобы воспрепятствовать взаимодействию гидрофобных краев такой пленки с водой, липидные бислои смыкаются. Из этих свойств липидов вытекают важные 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+, Cl-, 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 мембран, 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 больного часто обнаруживают гипохолестеринемию?

Ответ: При наличии быстро растущей опухоли холестерин используется 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 дефиците липазы только гидролиз.

12.В последние годы для лечения хронических заболеваний печени при ее жировом перерождении применяют препарат гептрал, действующим 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, содержащие большое количество фосфотидилхолина. При сбивании их с растительным маслом происходит образование стабильного не расслаивающегося 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 к отложению триацилглицеринов? б) Какие метаболические изменения могут произойти в результате такого питания?

Ответ: В результате трансаминирования образуются кетокислоты, способные преобразовываться в ацетил-КоА и, в последующем, в жирные кислоты. При связывании жирных кислот с глицерином образуются триацилглицерины. В результате значительного увеличения продукции аммиака возрастет продукция мочевины, способной увеличить осмолярность плазмы и дать ощущение жажды. Это, в свою очередь, сопровождается увеличением потребления воды.

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

Ответ: 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 цистеина, его нативная конформация напоминает беспорядочный клубок. Кератин – белок шерсти, богат цистином и цистеином, высокоупорядочен. Каким образом свойства этих белков скажутся на перевариваемости?

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, превращается 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 крови у данных больных?

Ответ: Нарушается процесс синтеза мочевины в печени. Концентрация мочевины в крови понижается.

6.Активность какого фермента снижена в почках, если отмечается уменьшение выделения солей аммония с мочой, повышается экскреция натрия и калия и возникает ацидоз?

Ответ: Глутаминазы.

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

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

8. 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 синтез тирозина из фенилаланина и тирозин должен поступать с пищей.

10. Животных длительное время содержали на белковой диете с искусственной смесью аминокислот, в которой отсутствовали глутаминовая, 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 (около 10,8). Какие аминокислоты должны присутствовать в гистонах в относительно больших количествах? Каким образом эти остатки обеспечивают прочное связывание гистонов с ДНК?

Ответ: 1) положительно заряженные – лиз, арг и гис. 2) электростатическое притяжение между положительно заряженными аминокислотами и отрицательно заряженными фосфатными группами ДНК.

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

624

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

3. В результате действия высокоактивного химического соединения, попавшего в клетку, оказались отщепленными азотистые основания от обоих нуклеотидов пары Г...Ц. Могут ли репарирующие системы поправить это повреждение?

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

4.Единичная цепь (+) ДНК (А-21%, Г-29%, Т-21%, Ц-29%) реплицируется 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 соотношение) 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 жизнедеятельности 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, 3С, 4А, 5С, 6С, 7Б.

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

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

625

статком дезокситимидилата, блокирование синтеза последнего, вызванное фтордезоксиуридилатом, снижает скорость деления клеток и тем самым рост опухолей.

7. В химиотерапии рака часто применяют некоторые структурные 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 фолиевой 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 плохим источником энергии у млекопитающих?

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

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

Ответ: Лечение аллопуринолом подагры приводит к двум биохимическим последствиям. Во-первых, подавляется превращение гипоксантина в мочевую кислоту, в результате чего накапливается гипоксантин. Гипоксантин лучше, чем мочевая кислота, растворяется в крови и моче, и поэтому легче выводится из оганизма. Во-вторых, ингибируется 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 используют препарат на базе пиримидинового основания – оротат калия и не используют препараты на базе пуриновых оснований?

Ответ: Для биосинтеза нуклеиновых кислот необходимы пиримидиновые 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

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

Ответ: Репликацию и транскрипцию.

Гормоны

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

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

2. Добавление адреналина к гомогенату печени приводит к повышению активности гликогенфосфорилазы. Если гомогенат при высокой скорости (100000 g) центрифугировать и к надосадочной жидкости 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 адреналина.

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

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

4. Больным с приступом бронхиальной астмы наряду с адреналином часто вводят вещества, сходные с теофиллином из чая (например, эуфиллин). Объясните цель и биохимическую основу совместного применения этих препаратов.

Ответ: Цель – снять спазм гладкой мускулатуры бронхов. Адреналин 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 ангиотензина II и уменьшение секреции альдостерона. Это обусловливает снижение тонуса сосудов и, следовательно, снижение артериального 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 нормы, а содержание эстрогенов достигает верхней границы нормы. В какую стадию яичникового цикла взят анализ крови?

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

8. Некоторые ученые относят витамин Д к гормонам, проникающим в клетку. Какую форму витамина можно рассматривать как гормон, регулирующий фосфорно-кальциевый обмен? Где она образуется и при участии каких ферментов?

Ответ: Биологически активной формой является 1,25дигидроксихоле (или эрго) кальциферол (кальцитриол). Образование его происходит путем гидроксилирования витамина Д3 (или Д2) в печени в 25-ом положении в процессе микросомального окисления, а затем в почках в 1-ом положении под действием гидроксилазы 25гидроксикальциферола.

HO

1,25-дигидроксихолекальциферол

Витамины

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

Ответ: В витамине В6, который необходим для протекания специфических путей катаболизма аминокислот (см. роль вит. В6 в метаболизме).

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, В12 может привести к развитию мегалобластической анемии?

Ответ: Витамины В9, В12 необходимы для процессов метилирования и трансметилирования, следовательно для синтеза нуклеотидов

инуклеиновых кислот.

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

Ответ: В витамине B1. См. роль вит В1 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: B2, тканевое дыхание.

6.В конце XIX века и вна чале XX века пеллагра была довольно распространенным заболеванием, особенно в сельской местности, где люди употребляли в пищу мало мяса, а питались в основном кукурузой. 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, утрачивали координацию движений и способность удерживать свое тело в равновесии. Уровень пирувата в крови и мозгу этих птиц значительно превышал нормальный. Такое состояние проходило, если голубям давали мясо. Объясните это явление.

Ответ: Недостаточность тиамина.

8. У больных с патологией почек, несмотря на нормально сбалансированную диету, часто развивается заболевание, похожее на рахит, сопровождающееся интенсивной деминерализацией костей. Какой 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 Д3, т.е. образование его биологически активной формы – кальцитриола.

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

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

10. При постоянном приеме этанола (алкогольная болезнь) раз-

629

вивается гиповитаминоз В1, симптомами которого являются расстройства нервной системы. Почему клетки нервной ткани так чувствительны к недостатку витамина В1?

Ответ: Витамин В1 в форме тиаминпирофосфата участвует в функционировании пируват- и альфа-кетоглутарат-дегидрогеназных комплексов (общий путь катаболизма). При гиповитаминозе В1 будет нарушаться аэробный распад глюкозы, т.е. основной процесс, обеспечивающий энергией клетки нервной ткани, что и вызовет нарушения их функционирования.

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

Ответ: Биотин как кофермент пропионилкарбоксилазы для образования метилмалонил-КоА и витамин В12 для изомеризации ме- тилмалонил-КоА в сукцинат-КоА.

12.Производители пищевых продуктов, обогащенных витаминами, утверждают, что витамины, полученные из природных источников, полезнее для здоровья, чем синтезированные искусственно (например, витамин С из плодов шиповника и искусственно синтезированный). Отличаются ли витамины из этих двух источников, и может ли организм отличить их друг от друга?

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

13.Мать 6-месячного грудного ребенка пожаловалась, что у него нарушился сон, появились беспокойство, повышенная чувствительность (гиперестезии), потливость, беспричинная плаксивость. При осмотре у ребенка обнаружено облысение затылочка, повышенный красный дермографизм. В крови повышена активность щелочной фосфатазы, в моче – повышено содержание аммиака и аминокислот. С чем связаны эти расстройства?

Для роста бактерий необходима фолиевая кислота. Если в питательной среде содержится аденин и тимидин, то бактерии могут хорошо расти и при отсутствии фолиевой кислоты. Почему бактерии нуждаются 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 пуриновых нуклеотидов и тимидилового нуклеотида. При добавлении в питательную сре-

630