Рабочая тетрадь к курсу «Биохимия» для студентов совместного Китайско-Российского института

С. Н. Тамкович
Рабочая тетрадь к курсу «Биохимия» для студентов
совместного Китайско-Российского института
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Китайско-Российский институт Хэйлунцзянского университета
Факультет естественных наук
С. Н. Тамкович
Сборник задач к курсу «Биохимия» для студентов
совместного Китайско-Российского института
Учебно-методическое пособие
Новосибирск
2015 г
1
УДК 577.1
ББК 28.072
Т17
Тамкович С. Н. Рабочая тетрадь к курсу «Биохимия» для студентов совместного КитайскоРоссийского института: Учеб.-метод. пособие / Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2015. 81 с.
Учебно-методическое пособие предназначено для студентов 2-го курса совместного
Китайско-Российского института, направление подготовки «биология» и «химия».
Каждый раздел пособия содержит теоретическую часть, включающую базовые понятия и
формулы, необходимые для решения задач, а также различные по сложности задачи и
упражнения для проведения семинаров и самостоятельной работы, рекомендуемая литература
для изучения дисциплины.
Составитель:
доц. С. Н. Тамкович
Издание подготовлено в рамках реализации Программы развития государственного
образовательного учреждения высшего профессионального образования «Новосибирский
государственный университет» на 2009–2018 годы, а также при финансовой поддержке
Минобрнауки России (соглашение № 8289) и грантов РФФИ № 12-04-31365 и 13-04-01460.
.
Рецензент:
канд. хим. наук В.С. Черноносова
© Новосибирский государственный
университет, 2015
© С. Н. Тамкович, 2015
2
Оглавление
Глава 1. Биополимеры
1.1. Химическое строение и пространственная структура белков, определение
первичной последовательности
Задачи и упражнения
1.2. Химическое строение и пространственная структура нуклеиновых кислот,
определение первичной последовательности
Задачи и упражнения
Глава 2. Кинетика ферментативных реакций. Ингибирование
Задачи и упражнения
Глава 3. Биоэнергетические процессы. Генерирование и хранение
метаболической энергии
3.1. Окисление углеводов
3.1.1. Гликолиз
Задачи и упражнения
3.1.2. Альтернативный путь окисления глюкозо-6-фосфата
Задачи и упражнения
3.2. Пируват-дегидрогеназный комплекс и цикл трикарбоновых кислот
Задачи и упражнения
3.3. Цепь переноса электронов
Задачи и упражнения
3.4. Окисление жирных кислот
Задачи и упражнения
3.5. Катаболизм аминокислот
Задачи и упражнения
3.6. Глюконеогенез
Задачи и упражнения
3.7. Фотосинтез
Задачи и упражнения
Глава 4. Биосинтез предшественников макромолекул
4.1. Биосинтез олиго- и полисахаридов
Задачи и упражнения
4.2. Биосинтез липидов и жирных кислот
Задачи и упражнения
4.3. Биосинтез нуклеотидов
Задачи и упражнения
4.4. Биосинтез аминокислот
Задачи и упражнения
Общие вопросы
Список литературы
3
4
4
5
17
17
24
25
32
32
32
32
36
36
39
40
43
43
48
48
54
54
59
59
62
62
64
64
64
66
66
72
73
76
76
77
81
ГЛАВА 1. БИОПОЛИМЕРЫ
1.1. ХИМИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ И ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА БЕЛКОВ,
ОПРЕДЛЕНИЕ ПЕРВИЧНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ
Рис. 1. Аминокислоты, входящие в состав белков
Рис. 2. Уровни пространственной организации белков: а - первичная; б - вторичная; в - третичная; г четвертичная
4
Величины рК ионизированных групп некоторых аминокислот (25 оС)
№ Аминокислота
pK1,
pK2,
СООН NH3
2,34
9,69
2,17
9,04
Таблица 2
pK3,
R-группа
1.
2.
Аланин
Аргинин
3.
4.
5.
6.
Аспарагин
Аспарагиновая кислота
Валин
Гистидин
2,02
2,09
2,32
1,82
8,80
9,82
9,62
9,17
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
Глицин
Глутамин
Глутаминовая кислота
Изолейцин
Лейцин
Лизин
Метионин
Оксипролин
Пролин
Серин
Тирозин
Треонин
Триптофан
Фенилаланин
Цистеин
2,34
2,17
2,19
2,36
2,36
2,18
2,28
1,92
1,99
2,21
2,20
2,09
2,38
1,83
1,92
9,60
9,13
9,67 4,25 (COOH)
9,68
9,60
8,95 10,53 (NH3)
9,21
9,73
10,96
9,15
9,11
10,07 (OH)
9,10
9,39
9,13
8,33
10,28 (SH)
12,48
(гуанидин)
3,65 (βCOOH)
6,00
(имидазол)
ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ
1. Укажите суммарный заряд (положительный или отрицательный) для валина, глутамата,
аргинина, гистидина и тирозина при следующих рН: а) 1,0; б) 4,0; в) 10,0.
5
2. Смесь изолейцина, аспартата, фенилаланина, лизина, аргинина и тирозина разделяли
методом электрофореза при рН 7,0. Какие соединения двигались к аноду, катоду, а какие
оставались на старте?
3. Можно ли методом электрофореза полностью разделить аминокислоты фенилаланин,
аспартат и лизин при рН: а) 2; б) 7; в) 11.
4. Укажите направление движения (остаются на старте, движутся к катоду или аноду)
следующих пептидов в процессе электрофореза при рН 1,94; рН 3,0; рН 6,5 и рН 10,0:
а) Lys-Gly-Ala-Gly;
б) Lys-Gly-Ala-Glu.
6
5. Укажите направление движения (остаются на старте, движутся к катоду или аноду)
следующих пептидов в процессе электрофореза при рН 2; рН 4; рН 7 и рН 10:
а) His-Val-Asn-Glu;
б) Glu-Gly-Ala-Glu;
в) Gln-Gly-Ala-Lys.
7
6. Нарисуйте структуру пептида Ala-His-Gln при рН 5,0 и рН 10,0. Оцените заряд пептида при
этих рН.
7. Рассчитаете pI для аланина, лизина, глутамата и пептидов Gln-Lys-Phe и Val-Gly-Ile.
8. Основным критерием оценки белков в питании является наличие в них незаменимых
аминокислот. Дайте биологическую оценку следующим гексапептидам:
а) Glu-Asp-Pro-Ala-Cys-Gly;
б) Glu-Asp-Pro-Ala-Val-Cys;
в) Glu-Val-Pro-Trp-Ala-Gly;
г)Val-Pro-Lys-Trp-Ala-Phe;
д) Val-Leu-Met-Thr-Trp-Lys.
8
9. Мышечный белок тропомиозин представляет собой суперспираль, состоящую из двух αспирализованных тяжей. Масса этого белка – 70 кДа. Средняя масса одного аминокислотного
остатка около 110 Да. Рассчитайте длину молекулы.
10. Какие изомерные трипептиды могут содержать тирозин, аланин и валин? Сколько их?
Назовите их. Напишите структуру одного из них при рН 7,0.
11. Для смеси пептидов укажите относительный порядок их элюции с колонки с
анионообмеником, если колонка промывается буферной смесью, рН которой постепенно
меняется от 12 до 1:
а) His-Gly-Ala-Gly;
б) Gln-Gly-Ala-Lys;
в) Glu-Gly-Ala-Glu?
9
Включение «метки» в N-концевую аминокислоту
Метод Эдмана
12. В химии белка часто используют следующие реактивы:
а) СNBr;
б) мочевина;
в) бетамеркаптоэтанол;
г) трипсин;
д) надмуравьинная кислота;
е) дансилхлорид;
ж) 6 н НСl;
з) 2,4-динитрофторбензол;
и) нингидрин;
к) фенилизотиоцианат;
л) химотрипсин.
Какой из этих реактивов следует применить при решении следующих задач (ответ
аргументируйте необходимыми реакциями).
10
1. Обратимая денатурация белка, не содержащего дисульфидных связей. Какие понадобятся
дополнительные реактивы, если в белке имеются дисульфидные связи?
2. Определение аминокислотного состава пептида.
3. Идентификация аминоконцевого остатка в пептиде, количество которого составляет
порядка микрограммовых (а) и нанограммовых (б) количеств.
4. Гидролиз пептидных связей по карбоксильной группе остатков лизина и аргинина.
5. Гидролиз пептидных связей по карбоксильной группе остатков ароматических
аминокислотных остатков.
6. Расщепление пептидных связей по карбоксильной группе метионина.
7. Определение последовательности аминокислот в небольшом пептиде.
13. Для пептида (адренокортикотропного гормона человека)
Ser-Tyr-Ser-Met-Glu-His-Phe-Arg-Trp-Gly-Lys-Pro-Val-Gly-Lys-Lys-Arg-Arg-Pro-Val-Lys-ValTyr-Pro-Asp-Ala-Gly-Glu-Asp-Gln-Ser-Ala-Glu-Ala-Phe-Pro-Leu-Glu-Phe
определите
число
фрагментов, образующихся при обработке и напишите структурную формулу самого короткого
пептида при рН 8,5:
а) бромцианом;
б) трипсином;
в) химотрипсином.
14. Каким образом будет действовать трипсин на следующие пептиды:
а) Lys-Asp-Gly-Ala-Alа-Glu-Ser-Gly;
б) Ala-Ala-His-Arg-Glu-Lys-Phe-Ile;
в) Tyr-Cys-Lys-Ala-Arg-Arg-Gly;
г) Phe-Ala-Glu-Ser-Ala-Gly?
Каждый из образовавшихся фрагментов обрабатыватся затем 2,4-динитрофторбензолом,
после чего следует гидролиз пептидных связей. Назовите образующиеся при этом 2,4динитрофенильные аминокислоты.
11
15. Назовите пептиды, образующиеся при обработке химотрипсином следующего пептида:
Val-Ala-Lys-Glu-Glu-Phe-Val-Met-Tyr-Cys-Glu-Trp-Met-Gly-Gly-Phe.
Предположим, что образовавшиеся пептиды реагируют затем с бромцианом. Назовите
образующиеся при этом продукты и напишите структурную формулу самого короткого пептида
при рН 3.
16. Назовите пептиды, которые образуются, если пептид
Val-Ala-Lys-Glu-Glu-Phe-Val-Met-Tyr-Cys-Glu-Trp-Met-Gly-Gly-Phe
обработать трипсином, а образовавшиеся при этом фрагменты обработать затем бромцианом.
12
17. Какие способы вы применили бы к указанному ниже фрагменту гемоглобина, чтобы
получить два таких набора пептидов с перекрывающимися последовательностями, при помощи
которых можно было бы установить полную аминокислотную последовательность этого
фрагмента? Последовательность, которую необходимо расшифровать, такова:
Val-Leu-Ser-Pro-Ala-Lys-Thr-Asn-Val-Lys-Ala-Ala-Trp-Gly-Lys-Val-Gly-Ala-His-Ala-Gly-GluTyr-Gly-Ala-Glu-Ala-Thr-Glu.
18. В результате реакции тетрапептида с динитрофторбензолом и последующего гидролиза 6
н HCl образовались ДНФ-производное Ser и три другие аминокислоты. При гидролизе
трипсином другой аликвотной пробы того же тетрапептида были обнаружены два фрагмента.
При обработке гидролизата одного из фрагментов нингидрином выявляется продукт желтого
цвета. Кратковременная инкубация с карбоксипептидазой приводит к появлению свободного
лейцина. Присутствие каких аминокислот можно предположить в исходном тетрапептиде и
какова их последовательность?
13
19. В результате кислотного гидролиза пептида А получены следующие аминокислоты: Asp,
Lys, 2 Pro, Ser. После обработки динитрофторбензолом и кислотного гидролиза выявлен
динитрофенилсерин. Частичный кислотный гидролиз привел к образованию пяти пептидов,
содержащих следующие аминокислоты, полученные после полного гидролиза этих пептидов:
а) Pro, Ser; б) Pro, Asp; в) Lys, Pro, Asp; г) Lys, Pro; д) Asp, Lys.
Предположите последовательность аминокислот в пептиде А.
20. Выделенный из мозга опиоидный пептид лейэнкефалин, как установлено с помощью
полного гидролиза и последующего аминокислотного анализа, содержит Gly, Leu, Phe, Tyr в
соотношении 2:1:1:1. После обработки динитрофторбензолом найдено производное
динитрофенил-тирозин. Свободного тирозина при этом не обнаружено. Гидролиз
химотрипсином дал Leu, Tyr и более короткий пептид. Определите первичную структуру
лейэнкефалина. Нарисуйте структурную формулу при рН 7,0.
21. Пентапептид, образующийся при обработке белка трипсином, содержит аргинин,
аспартат, лейцин, серин, тирозин. Для определения аминокислотной последовательности
провели три последовательных расщепления по Эдману. Полученные после каждого
расщепления пептиды имели следующий состав:
первое расщепление - аргинин, аспартат, лейцин, серин;
14
второе расщепление - аргинин, аспартат, серин;
третье расщепление - аргинин, серин.
Какова последовательность пентапептида?
22. В гидролизате пептида найдены аланин, валин, глутамат, фенилаланин, тирозин, глицин,
лизин, лейцин, метионин и NH3. При обработке пептида динитрофторбензолом выявлен ДНФаланин, карбоксипептидазой – глицин. В триптическом гидролизате обнаружено два пептида:
первый состоит из Val, Ala, Glu, Lys, Phe; второй – из Met, Gly, Leu, Tyr, а при обработке
динитрофторбензолом дает ДНФ-лейцин. В химотриптическом гидролизате найдено три
пептида: первый содержит метионин и глицин; второй – Val, Ala, Phe, Glu; третьий - Leu, Tyr,
Lys. Выведите на основании всей совокупности данных первичную структуру исходного
пептида.
23. В гидролизате гормона найдены гистидин, лейцин, лизин, глицин, пролин, серин,
триптофан, 2 моля глутамата, тирозин и NH3. Гормон устойчив к действию карбоксипептидазы.
При обработке гормона по методу Сэнгера выявлен ДНФ-глутамат. В химотриптическом
гидролизате обнаружены тетрапептид, состоящий из серина, лейцина, глутамата и триптофана,
и два трипептида: первый содержит тирозин, глутамат и гистидин, второй – глицин, лизин,
пролин. При обработке тетрапептида по методу Сэнгера найден ДНФ-серин. В триптическом
гидролизате обнаружено два пептида: первый содержит гистидин, лейцин, лизин, серин,
триптофан, тирзин и два моля глутамата. Второй окрашивается нингидрином в желтый цвет.
Выведите на основании всей совокупности данных первичную структуру исходного гормона.
15
24. При полном кислотном гидролизе одного из гормонов человека было установлено, что
этот гормон состоит из девяти аминокислот: 2 Cys, Tyr, Pro, Gly, Leu, sp, Glu, Ile. При этом
выделяется также 3 моля NH3. Обработка гормона динитрофторбензолом и последующий
кислотный гидролиз приводят к обнаружению динитрофенилцистеина. Гормон не
гидролизуется карбоксипептидазой. Обработка гормона химотрипсином после восстановления
дисульфидных связей приводит к образованию двух фрагментов. Первый – дипептид, при рН
6,0 не заряжен. При обработке второго фрагмента динитрофторбензолом с последующим
кислотным гидролизом обнаруживается динитрофенилизолейцин. Частичный кислотный
гидролиз выявил следующие пептиды: Ile-Glu, Pro-Leu, Pro-Leu-Gly, Asp-Cys-Pro. Напишите
аминокислотную последовательность гормона.
25. Пептид А, в состав которого входят лизин, гистидин, аспартат, 2 моля глутамата, аланин,
пролин, валин, тирозин и две молекулы аммиака, дает в результате реакции с
динитрофторбензолом ДНФ-Asp, а при обработке карбоксипептидазой – свободный Val. При
расщеплении пептида А трипсином получаются два пептида. Один из них (Lys, Asp, Glu, Ala,
Tyr) нейтрален при рН 5,5, а другой (His, Glu, Pro, Val) дает ДНФ-His и при рН 5,5 несет
положительный заряд. Кроме того, из пептида А получаются два пептида в результате действия
химотрипсина. Один из них (Asp, Ala, Tyr) при рН 5.5 нейтрален, а другой (Lys, His, 2 Glu, Pro,
Val) – положительно заряжен. Укажите структуру пептида А.
16
1.2. ХИМИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ И ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ
КИСЛОТ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРВИЧНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ
Рис. 3. Гетероциклические основания нуклеиновых кислот
Рис. 4. Вторичная структура ДНК
ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ
1. ДНК одного делеционного мутанта бактериофага λ имеет контурную длину 15 мкм вместо
17 мкм. Сколько пар оснований недостает у этого мутанта?
17
2. Напишите комплиментарные последовательности (в стандартной записи 5’-3’) для
следующих последовательностей:
а) GATCA;
б) TCGAAC;
в) ACGCGT;
г) TACCAT.
3. Расположите олигонуклеотиды в порядке убывания температуры плавления их
комплементарных комплексов:
а) dpATATATATAT;
б) dpGCGCGCGCGC;
в) dpATGCATGCAC.
Изобразите схематически вид интегральных кривых плавления для всех трех комплексов.
4. Расположите олигонуклеотиды в порядке убывания температуры плавления их
комплиментарных комплексов:
а) ATGCATGCAТ;
б) ATGCATGCAТGC;
в) ATGCATGC.
Изобразите схематически вид дифференциальных кривых плавления всех трех комплексов.
5. Найдено, что очищенный препарат ДНК содержит 30,4 % аденина и 19,6 % цитозина.
Отношение аденин / тимин равно 0,98, а гуанин / цитозин – 0,97. Вычислите количество гуанина
и тимина в этой ДНК, а также соотношение пуриновых и пиримидиновых оснований.
18
6. Нарисуйте все возможные варианты образования неканонической пары:
а) A-G;
б) А-С.
7. Нарисуйте взаимное расположение гетероциклов в тройном комплексе полигуаниловой
кислоты с двумя цепями полицитилдиловой кислоты.
19
Рис. 5. Метод Сэнгера
8. Какие продукты должны получиться при частичном гидролизе олигорибонуклеотида 5’pGCAGUACUGUC-3’ следующими ферментами:
а) панкреотической рибонуклеазой (РНКазаА);
б) рибонуклеазой Т1;
в) рибонуклеазой U2?
Нарисуйте их структурные формулы.
20
9. На рисунке приведена схема радиоавтографа геля с четырмя дорожками фрагментов
дезоксирибоолигонуклеотида, образовавшихся при химическом расщеплении.
G+A
Олигонуклеотид содержал
нуклеотида?
32
G
C+T
C
Р-метку на 5'-конце. Какова последовательность исследуемого
10. Напишите последовательности (с указанием концевых фосфатных групп) всех продуктов,
образующихся при обработке олигонуклеотида dpCATTCGTTC 66-й % муравьиной кислотой (1
час), а затем 10-м % пиперидином (95 °С, 30 мин). Нарисуйте схему радиоавтографа геля с
фрагментами олигонуклеотида, образовавшихся при химическом расщеплении. Нарисуйте
структуру самого короткого нуклеотид-содержащего продукта реакции.
21
11. Напишите последовательности (с указанием концевых фосфатных групп) всех продуктов,
образующихся при последовательной обработке олигонуклеотида dpGTGACGTGAT
гидразингидратом в присутствии 1 М NaCl и 1 М
пиперидином. Нарисуйте схему
радиоавтографа геля с фрагментами олигонуклеотида, образовавшихся при химическом
расщеплении. Нарисуйте структуру самого короткого нуклеотид-содержащего продукта
реакции.
12. Напишите последовательности (с указанием концевых фосфатных групп) всех продуктов,
образующихся при последовательной обработке олигонуклеотида dpATACGGGTA
гидразингидратом и 1 М пиперидином. Нарисуйте схему радиоавтографа геля с фрагментами
олигонуклеотида, образовавшихся при химическом расщеплении. Нарисуйте структуру самого
короткого нуклеотид-содержащего продукта реакции.
22
13. Напишите последовательности (с указанием концевых фосфатных групп) всех продуктов,
образующихся при последовательной обработке олигонуклеотида dpCGGTGACGTGAT
диметилсульфатом и 1 М пиперидином. Нарисуйте схему радиоавтографа геля с фрагментами
олигонуклеотида, образовавшихся при химическом расщеплении. Нарисуйте структуру самого
короткого нуклеотид-содержащего продукта реакции.
14. Напишите последовательности (с указанием концевых фосфатных групп) всех продуктов,
образующихся при последовательной обработке олигонуклеотида dpGACTTAGCTAAAGT
гидразингидратом в присутствии 1 М KOH и 1 М
пиперидином. Нарисуйте схему
радиоавтографа геля с фрагментами олигонуклеотида, образовавшихся при химическом
расщеплении. Нарисуйте структуру самого короткого нуклеотид-содержащего продукта
реакции.
23
15. Цепь ДНК содержит последовательность
5’-----ATCGTAC---3’
Ее структуру определили методом Сэнгера. Нарисуйте радиоавтограф геля с четырьмя
дорожками фрагментов ДНК, образующихся при использовании в качестве терминаторов
ddGTP, ddCTP, ddTTP, ddATP.
16. Почему при секвенировании ДНК химическим методом матрица должна быть мечена по
одному концу, а в методе Сэнгера метка может быть распределена равномерно по всей длине
цепи?
ГЛАВА 2. КИНЕТИКА ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ. ИНГИБИРОВАНИЕ
Рис. 5. Уравнение Михаэлиса — Ментен
Рис. 6. Графики Лайнуивера — Берка (слева) и Иди-Хофсти (справа) в отсутствие и в
присутствии конкурентного ингибитора
24
Рис. 7. Графики Лайнуивера — Берка (слева) и Иди-Хофсти (справа) в отсутствие и в
присутствии неконкурентного ингибитора
Рис. 8. Уравнение Михаэлиса — Ментен в присутствии конкурентного (слева) и
неконкурентного (справа) ингибитора
ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ
1. Установите соответствие:
ферменты
катализируемая реакция
1) протеиназа
а) переносит электроны
2) цитохром С
б) расщепляет Н2О2
3) протеинкиназа
в) фосфорилирует белок
4) каталаза
г) гидролизует 1,4-гликозидные
связи
5) ά-амилаза
д) гидролизует пептидные связи
2. Определите значения кинетических параметров k2 и Км гидролиза метилового эфира Nацетил-L-валина, катализируемого альфа-химотрипсином, исходя из данных таблицы.
Условия реакции:
[S0], М
V0 · 106, М · с-1
[E0] = 3,85 · 10-5 M;
0,2
4,57
pH = 7,8; 25 °C; 0,1 M КСl.
0,124
3,83
0,091
3,32
0,071
2,95
0,06
2,7
25
2. Определите
значения
кинетических
параметров k2 и Км гидролиза метилового
эфира
N-бензоил-L-аминомаслянной
кислоты,
катализируемого
альфахимотрипсином, исходя из данных таблицы.
Условия реакции: [E0] = 2,16 · 10-5 M; pH = 7,8;
25 °C; 0,1 M КСl.
26
[S]0 ∙103, M
2,24
1,49
1,12
0,9
0,75
V0 ∙107, M∙c-1
4,28
3,56
3,11
2,74
2,43
3.
Фосфофруктокиназа
Концентрация Mg100 30
катализирует следующую реакцию:
АТФ, мкМ
Фруктозо-6-фосфат + АТФ →
Скорость
фруктозо-1,6-дифосфат + АДФ.
образования продукта 0.3 0.19
Рассчитайте величину KM для
(о.е./мин)
АТФ исходя из приведенных ниже
данных. Концентрация фруктозо-6-фосфата оставалась постоянной (1 мМ).
4. Измеряли кинетику ферментативной
реакции в зависимости от концентрации
субстрата
в
присутствии
ингибитора
(концентрация 10-5 М) или в его отсутствие;
были получены следующие данные:
а) Чему равны Vmax и KM в отсутствие
ингибитора? В его присутствии?
б) Каков тип ингибирования?
в) Чему равна константа связывания
ингибитора?
27
[S]0∙10-5,
M
0.3
0.5
1.0
3.0
9.0
20
15
10
0.14
0.09 0.05
Скорость реакции,
мкмоль/мин
с
без ингибитора
ингибитором
10.4
4.1
14.5
6.4
22.5
11.3
33.8
22.6
40.5
33.8
5. Ферменты необратимо ингибируются под действием:
а) липидов;
б) аминокислот;
в) ионов тяжелых металлов;
г) углеводов.
6. Установите соответствие:
субстрат,
определяемый
помощью ферментного электрода
1) мочевина
2) глюкоза
3) этанол
4) лактат
5) аспарагин
7. Из приведенных ниже данных для
глутаматдекарбоксилазной
реакции
определите,
является
ли
действие
ингибитора – бромпирувата конкурентным
или неконкурентным. Вычислите также
величину KM для субстрата – глутаминовой
кислоты – и значение ki для ферментингибиторного комплекса. Определите
значение Vmax.
с
фермент,
входящий
в
ферментного электрода
а) аспарагиназа
б) алкогольдегидрогеназа
в) глюкозооксидаза
г) лактатдегидрогеназа
д) уреаза
Концентрация
14
глутамата, мМ
Скорость
образования продукта
в отсутствие
62
бромпирувата,
мкМ/мин∙102
Скорость
образования продукта
в присутствии 20 мМ 56
бромпирувата,
мкМ/мин∙102
28
состав
7
5
3
2.3
55
45
37
32
42
35
26
21
8. Фенилаланин ингибирует
щелочную
фосфатазу
из
кишечника крысы. Определите
тип ингибирования, константу
диссоциации
ферментингибиторного комплекса ki из
приведенных далее данных.
Концентрация субстрата, мМ
Скорость образования продукта
в отсутствие фенилаланина,
мкмоль / мин ∙ мл
Скорость образования
5 мМ
продукта в присутствии
фенилаланина, мкмоль /
10 мМ
мин ∙ мл
29
5
10
25
50
100
3
5
8
10
12.
5
2.5
3.7
5.0
6.0
6.7
1.8
2.3
2.9
3.1
3.2
9.
Карбомоилфосфатсинтетаза
катализирует
следующую
реакцию:
NH3 + CO2 + 2 ATP →
NH2COOPO32- + 2 ADP + HPO42Рассчитайте величину KM для
АТФ исходя из приведенных
ниже
данных.
Реакцию,
катализируемую
карбомоилфосфатсинтетазой,
ингибирует
8-азидо-АТФ.
Определите
характер
ингибирования, ki для ферментингибиторного комплекса.
Концентрация АТФ, мМ
Скорость образования
карбомоилфосфата в
отсутствие 8-азидо-АТФ,
нмоль/мин
Скорость
образования
карбомоилфосфата
в присутствии 8азидо-АТФ,
нмоль/мин
30
0.8
мМ
2
мМ
5
мМ
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
8.0
6.7
5.8
4.4
2.7
6.2
5.7
4.5
3.2
1.8
4.4
3.7
2.8
2.2
1.0
3.3
3.3
2.2
1.8
0.9
10.
Салицилат
ингибирует
Концентрация
каталитическое
действие
1.5 2.0 3.0 4.0 8.0 16.0
глутамата,
мМ
глутаматдегидрогеназы. Определите
Скорость
путем графического анализа
образования
приведенных
ниже
данных,
продукта в
0.21 0.25 0.28 0.33 0.44 0.43
является
ли
ингибирование
отсутствие
конкурентным
или
неконкурентным. Предполагается, салицилата, мг/мин
Скорость
что
концентрация
салицилата
образования
составляет 40 мМ и поддерживается
продукта в
0.08 0.10 0.12 0.13 0.16 0.18
на постоянном уровне. Вычислите
присутствии
также величину KM и V max для
салицилата,
мг/мин
глутамата и значение константы
диссоциации ферментно-субстратного комплекса ki.
31
ГЛАВА 3. БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ
МЕТАБОЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
ПРОЦЕССЫ.
ГЕНЕРИРОВАНИЕ
3.1. ОКИСЛЕНИЕ УГЛЕВОДОВ
3.1.1. ГЛИКОЛИЗ
Рис. 9. Гликолиз
ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ
1. Установите соответствие:
гликолиз
1) аэробный
2) анаэробный
конечный продукт
а) лактат
б) NADH
в) пируват
г) Н2О
д) АТФ
е) ацетилСоА
ж) NAD+
2. В процессе гликолиза необратимыми являются реакции образования:
а) 3-фосфоглицеральдегида;
б) фруктозо-1,6-дифосфата;
в) глюкозо-6-фосфата;
г) 1,3-дифосфоглицерата;
д) пирувата;
е) фруктозо-6-фосфата.
32
И
ХРАНЕНИЕ
3. Восстановление NAD+ в процессе гликолиза происходит в реакции:
а) окисления глицеральдегид-3-фосфата;
б) образования глюкозо-6-фосфата;
в) образования 3-фосфоглицерата;
г) превращения 2-фосфоглицерата;
д) образования пирувата.
4. Декарбоксилирование пирувата при спиртовом брожении требует присутствия:
а) тиаминпирофосфата;
б) NAD+;
в) биотина;
г) СоА.
5. Что является конечным продуктом гликолиза:
а) пируват;
б) пропионат;
в) лактат;
г) пируват + лактат;
д) этанол + СО2?
6. Какой из ферментов гликолиза содержит NAD+ в качестве кофермента:
а) гликогенфосфорилаза;
б) фруктозобисфосфатальдолаза;
в) D-глицеральдегидфосфатдегидрогеназа;
г) енолаза;
д) пируваткиназа?
7. Радиоактивную глюкозу, меченную углеродом 14С в положениях 3 и 4, инкубировали в
анаэробных условиях в бесклеточном гомогетате печени. В каких положениях будет содержать
14
С образовавшийся лактат?
33
8. Напишите суммарное уравнение превращения 3-14С-фруктозо-6-фосфата в пируват в
клетках печени. Какие углеродные атомы продукта будут мечеными?
9. Напишите уравнение реакции образования этанола из D-глицеральдегид-3-фосфата при
спиртовом брожении. Какие ферменты принимают участие в этом процессе?
10. Напишите суммарное уравнение спиртового брожения.
34
11. Глюкозу, меченную 14С при С-1, инкубируют с ферментами гликолиза и необходимыми
коферментами. Каково распределение 14С в образующемся пирувате? (Допустим, что
взаимопревращение глицеральдегид-3-фосфата и дигидроксиацетонфосфата происходит очень
быстро по сравнению со следующей стадией.)
12. При напряженной мышечной работе мышцы потребляют много АТФ, который образуется
в процессе анаэробного гликолиза. Если бы в мышце отсутствовала лактатдегидрогеназа, могла
бы мышца напряженно работать?
13. Сравните отношение NADH/NAD+ и АТФ/АДФ в сердечной мышце во время сна и при
игре в футбол.
35
3.1.2. АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ПУТЬ ОКИСЛЕНИЯ ГЛЮКОЗО-6-ФОСФАТА
Рис. 10. Пентозофосфатный шунт
ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ
1. Укажите биологические функции пентозофосфатного пути окисления глюкозы:
а) синтез 12 молекул АТФ;
б) генерирование NADH;
в) генерирование NADPH;
г) образование рибозо-5-фосфата;
д) включение промежуточных метаболитов в гликолиз.
2. Восстановленный в пентозофосфатном шунте NADPH:
а) используется в цитозоле на восстановительные синтезы;
б) является донором водорода в цепи дыхательных ферментов митохондрий;
в) восстанавливает NAD+ до NADH;
г) восстанавливает глутатион;
д) участвует в процессах глюконеогенеза.
3. В каких тканях окисление глюкозы происходит по пентозофосфатному пути и почему?
36
4. В переключении пентозофосфатного пути и гликолиза регуляторную роль выполняет:
а) рибозо-5-фосфат;
б) эритрозо-4-фосфат;
в) фруктозо-6-фосфат.
5. Регуляторный фермент пентозофосфатного пути – это:
а) транскетолаза;
б) трансальдолаза;
в) глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа;
г) лактоназа.
6. Активатором регуляторного фермента пентозофосфатного пути является:
а) глюкозо-6-фосфат;
б) NADP+;
в) NADPH;
г) 6-фосфоглюконат.
7. Какие атомы фруктозо-6-фосфата и седогептулозо-7-фосфата окажутся мечеными в
результате прямого окисления 3-14С-глюкозы по фосфоглюконатному пути?
37
8. Рибозо-5-фосфат, меченный 14С при С-1, добавлен в раствор, содержащий транскетолазу,
трансальдолазу, фосфопентозоизомеразу, фосфопентозоэпимеразу и глицеральдегид-3-фосфат.
Каково распределение радиоактивной метки в эритрозо-4-фосфате и фруктозо-6-фосфате,
образующихся в этой реакции?
9. Глюкозу, меченную 14С при С-6, добавили в раствор, содержащий все ферменты и
коферменты окислительной ветви пентозофосфатного пути. Какова судьба радиоактивной
метки?
38
10. Авидин, белок яичного белка в 70 кДа, обладает очень сильным специфическим
ингибитором биотиновых ферментов. Какое из нижеприведенных превращений будет
блокироваться при добавлении авидина к клеточному гомогенату:
а) глюкоза
пируват;
б) пируват
глюкоза;
в) оксалоацетат
глюкоза;
г) глюкоза
рибозо-5-фосфат;
д) пируват
оксалоацетат;
е) рибозо-5-фосфат
глюкоза?
3.2. ПИРУВАТ-ДЕГИДРОГЕНАЗНЫЙ КОМПЛЕКС И ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ
Рис. 11. Цикл Кребса
39
ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ
1. Какова главная функция цикла трикарбоновых кислот:
а) окисление ацетил-СоА и образование двух молекул СО2, молекулы ГТФ, трех молекул
NADH и одной молекулы FADH2;
б) окисление ацетата до СО2 и Н2О;
в) окисление пирувата до СО2 и Н2О;
г) окисление лактата до СО2 и Н2О с выделением энергии?
2. Какой конечный продукт синтезируется при окислительном декарбоксилировании
пирувата в аэробных условиях:
а) цитрат;
б) ацетилфосфат;
в) ά-кетоглутарат;
г) ацетил-СоА;
д) пропионат?
3. На каком этапе превращения в цикле Кребса синтезируется ГТФ:
а) цитрата в цис-аконитат;
б) ά-кетоглутарата в сукцинат;
в) сукцината в фумарат;
г) малата в оксалоацетат?
4. Какие превращения в ЦТК связаны с гидротацией субстратов:
а) цитрата в цис-аконитат;
б) сукцинил-СоА в сукцинат;
в) цис-аконитата в изоцитрат?
5. Установите соответствие:
фермент
1) сукцинатдегидрогеназа
2) пируватдекарбоксилаза
3) изоцитратдегидрогеназа
4) NADH:КоQ-оксидоредуктаза
5) дегидролипоилтрансацетилаза
кофермент
а) FMN
б) тиаминпирофосфат
в) FAD+
г) NAD+
д) липоевая кислота
6. Коферментами мультиферментного ά-кетоглутарат-дегидрогеназного комплекса являются:
а) липоевая кислота, FAD+, NAD+, тиаминпирофосфат, СоА;
б) тиаминпирофосфат, липоевая кислота, FAD+;
в) липоевая кислота, FAD+, СоА;
г) тиаминпирофосфат, липоевая кислота, NAD+.
7. Установите соответствие:
фермент
катализирует реакцию образования
1) изоцитратдегидрогеназа
а) сукцината
2) тиокиназа
б) цитрата
3) цитратсинтаза
в) ά-кетоглутарата
4) малатдегидрогеназа
г) малата
5) фумараза
д) оксалоацетата
40
8. Установите соответствие:
фермент
катализирует реакцию образования
1) аконитаза
а) изоцитрата
2) пируватдекарбоксилаза
б) цитрата
3) цитратсинтаза
в) лактата
4) лактатидегидрогеназа
г) оксалоацетата
9. Будет ли происходить накопление оксалоацетата, если к экстракту, содержащему
ферменты и коферменты цикла трикарбоновых кислот, добавить ацетил-СоА?
10. Какова судьба метки, если в цикле трикарбоновых кислот подвергаются превращениям
следующие соединения, меченные углеродом 14С:
а) 1-14С-пируват;
б) 2-14С-пируват;
41
в) 3-14С-пируват;
г) 1-14С-ацетилСоА;
д) глюкозо-6-фосфат, меченный по С-1?
42
Из каких субстратов после одного цикла будет образовываться 14СО2?
3.3. ЦЕПЬ ПЕРЕНОСА ЭЛЕКТРОНОВ
Рис. 12. Цепь переноса электронов
ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ
1. Напишите суммарное уравнение процесса окисления цитоплазматического NADH до
NAD+ кислородом в дыхательной цепи исходя из того, что при этом функционирует:
а) глицеролфосфатный челночный механизм;
б) малат-аспартатный челночный механизм.
43
2. Количество энергии, выделяющейся при переносе электронов от FADH2 к молекулярному
кислороду, обеспечивает синтез АТФ:
а) 3;
б) 2;
в) 1.
3. Сколько молекул АТФ образуется при полном окислении до СО2 и Н2О следующих
соединений (считайте при этом, что речь идет о клетках печени, почек или сердца):
а) фосфоенолпирувата;
б) ацетил-СоА;
в) дигидроксиацетонфосфата;
44
г) глицерина;
д) пирувата;
е) NADH;
ж) фруктозо-1,6-дифосфата;
з) глюкозы?
45
и) глицеральдегид-3-фосфат;
к) сахароза
4. Каталитически активный субкомплекс протон-зависимой АТФ-синтетазы митохондрий
(F1) ориентирован:
а) в матрикс митохондрии;
б) в межмембранное пространство;
в) в цитозоль.
5. Разобщающим действием на процессы сопряженного окислительного фосфорилирования
обладают:
а) ингибиторы цитохромоксидазы;
б) протонофоры;
в) ингибиторы NADH-дегидрогеназы;
г) гидрофобные кислоты;
д) 2,4-динитрофенол.
6. Дыхательным контролем называется регуляция скорости дыхания:
а) цитохромоксидазой;
б) NADH-дегидрогеназой;
в) концентрацией АТФ.
46
7. Наибольшее количество АТФ образуется в процессе:
а) окислительного декарбоксилирования пирувата;
б) гликолиза;
в) цикла Кребса;
г) пентозомонофосфатного шунта.
47
3.5. ОКИСЛЕНИЕ ЖИРНЫХ КИСЛОТ
Рис. 13. β-Окисление жирных кислот
ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ
1. Сложноэфирные связи в молекулах триацилглицеролов подвергаются ферментативному
гидролизу при участии:
а) фосфолипазы;
б) неспецифической эстеразы;
в) алилэстеразы;
г) липазы;
д) ацетилхолинэстеразы.
48
2. Основной путь катаболизма высших жирных кислот – это:
а) восстановление;
б) ω-окисление;
в) ά-окисление;
г) β-окисление;
д) декарбоксилирование.
3. Транспорт жирных кислот из цитозоля в митохондрии осуществляется главным образом с
помощью:
1) карнитина;
2) цитрата;
3) малата.
4. Напишите уравнение равновесного состояния для превращения глицерола в пируват.
Какие при этом требуются ферменты, помимо ферментов гликолитического пути?
5. Какое соединение является продуктом распада высших жирных кислот:
а) α-глицеролфосфат;
б) β-гидроксибутират;
в) ацетилСоА;
г) метилмалонилСоА;
д) ацилСоА?
49
6. Напишите суммарное уравнение окисления миристиновой кислоты СН3(СН2)12СОО-:
а) до ацетилСоА;
б) до СО2 и Н2О
7. Сколько АТФ образуется при окислении
а) миристиновой кислоты СН3(СН2)12СОО-
б) С14Н29СООН
50
8. Почему при полном окислении лауриновой кислоты СН3-(СН2)10-СООН выход АТФ выше,
чем при полном окислении сахарозы (С12Н22О11), содержащей то же количество атомов
углерода?
9. Напишите суммарное уравнение окисления пропионовой кислоты С2Н5СОО- до СО2 и Н2О.
51
10. Какие конечные продукты образуются в результате β-окисления жирных кислот с
нечетным числом атомов углерода:
а) сукцинил-СоА;
б) пропионил-СоА;
в) ацетилСоА;
г) метилмалонил-СоА;
д) β-гидроксибутират?
11. Если предельная н-нонановая кислота С8Н17СОО-, содержащая 14С-метку в положении 7,
окисляется в условиях функционирования цикла трикарбоновых кислот, то какие из атомов
углерода следующих промежуточных продуктов окажутся мечеными:
а) янтарной кислоты;
б) щавеливо-уксусной кислоты;
в) α-кетоглутаровой кислоты?
52
12.
Сколько
АТФ
образуется
СН3(СН2)7СН=СН(СН2)7СООН.
при
окислении
олеиновой
кислоты
13. Сравните энергетическую ценность, т. е. количество АТФ, выделяющееся при полном
окислении СН3(СН2)5СН=СН(СН2)3СООН и СН3(СН2)3СН=СН-СН=СН-СН-(СН2)2СООН
.
53
3.5. КАТАБОЛИЗМ АМИНОКИСЛОТ
Рис. 14. Цикл мочевины
ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ
1. Определите, какая α-кетокислота образуется при трансаминировании каждой из
следующих аминокислот:
а) аланин;
54
б) аспартат;
в) глутамат;
2. В печени происходит окислительное превращение глутаминовой кислоты, меченной 14С по
второму атому углерода и 15N по аминогруппе. В каких атомах следующих метаболитов
обнаружится каждая из меток:
а) мочевина;
б) сукцинат;
в) аргинин;
г) цитруллин;
д) орнитин;
е) аспартат?
55
3. В каких положениях глутаминовой кислоты окажутся пронумерованные ниже атомы
гистидина в процессе его катаболизма?
1
5
2
4
3
4. Установите соответствие:
тип дезаминирования
1) прямое окислительное
2) трансдезаминирование
3) неокислительное дезаминирование
аминокислота
а) валин
б) цистеин
в) серин
г) глутаминовая кислота
д) аланин
5. В пиридоксальфосфат-зависимых ферментах пиридоксальфосфат связан карбонильной
группой с апобелком фермента через:
а) имидазольное кольцо гистидина;
б) ε-аминогруппу лизина;
в) гуанидиновую группу аргинина;
г) β-карбоксигруппу аспарагиновой кислоты;
д) сульфгидрильную группу цистеина.
6. Установите соответствие:
фермент
1) глутаматдегидрогеназа
2) глутаминсинтетаза
3) глутаминаза
4) аланинаминотрансфераза
5) карбомоилсинтетаза I
функция в обмене аммиака
а) синтез мочевины
б) утилизация NH3-аминокислот в мышцах (синтез аланина)
в) освобождение аммиака из глутамина в печени и почках
г) нейтрализация аммиака путем восстановительного
аминирования ά-кетоглутарата
д) нейтрализация аммиака путем синтеза глутамина
7. Какая аминокислота используется при биосинтезе порфиринового ядра:
а) глицин;
б) серин;
в) триптофан;
г) аланин?
8. Регуляторными ферментами орнитинового цикла являются:
а) аргиназа;
б) орнитинкарбамоилтрансфераза;
в) карбомоилсинтетаза I;
г) аргининосукцинатлиаза;
д) аргининосукцинатсинтетаза.
9. Ингибиторами регуляторных ферментов орнитинового цикла являются:
а) глутамин;
б) лизин;
56
в) аргинин;
г) глутаминовая кислота;
д) орнитин.
10. Источником аммиака в организме не являются:
а) аминокислоты;
б) мочевина;
в) биогенные амины;
г) пуриновые основания;
д) цитозин.
11. Сколько АФТ образуется при катаболизме серина и аланина?
12. Для цикла трикарбоновых кислот в качестве «затравки» требуется регенерирующийся
субстрат оксалоацетат. Назовите четыре метаболических источника этого соединения; отметим,
что два из них являются аминокислотами.
13. Многие соединения, встречающиеся в клетке, синтезируются из веществ, участвующих в
реакциях гликолиза и цикла трикарбоновых кислот, или из близкородственных им соединений.
Используя в качестве исходного субстрата пируват, укажите реакции, ведущие к образованию
следующих соединений:
а) аспартат;
б) молочная кислота;
57
в) этанол;
г) глутамат
д) аланин;
58
3.6. ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ
Рис. 15. Глюконеогенез
ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ
1. В синтезе глюкозы могут быть использованы:
а) гликогенные аминокислоты;
б) кетогенные аминокислоты;
в) глицерол;
г) высшие жирные кислоты;
д) холестерол.
2. Пируваткарбоксилаза в качестве кофермента содержит:
а) NAD+;
б) FAD+;
в) биотин;
г) FMN;
д) фолиевую кислоту.
3. Регуляторными ферментами глюконеогенеза являются:
а) фруктозо-1,6-дифосфатаза;
б) альдолаза;
59
в) пируваткарбоксилаза;
г) глицеральдегидфосфатдегидрогеназа.
4. Фермент глюкозо-1-фосфатуридинтрансфераза катализирует реакцию превращения:
а) глюкозо-1-фосфата в уридиндифосфатглюкозу;
б) уридиндифосфатглюкозы в гликоген;
в) гликогена с образованием глюкозо-1-фосфата.
4. Напишите суммарное уравнение процесса образования D-глюкозы из янтарной кислоты в
печени крысы.
5. Напишите суммарное уравнение синтеза одного из D-глюкозильного остатка гликогена
исходя из пирувата. Сколько для этого необходимо высокоэнергетических фосфатных
связей?
60
6. Какие положения в молекуле глюкозы окажутся меченными углеродом 14С, если крысе
скармливают еду, содержащую меченный по метильной группе ацетилСоА? Происходит
ли синтез глюкозы de novo?
7. Напишите уравнение равновесного состояния для образования глюкозы из фруктозы в
печени.
8. Напишите суммарное уравнение окисления пальмитиновой кислоты CH 3(CH2)14COO- в Dглюкозу в проростках высших растений.
61
3.7. ФОТОСИНТЕЗ
Рис. 16. Z-схема. Модель, иллюстрирующая восстановительные потенциалы компонентов
цепи в сопряжении с потоком электронов через фотосинтетические электронные переносчики
ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ
1. Заполните пропуски в следующих утверждениях.
А. Внутренняя мембрана хлоропласта окружает большую центральную область, называемую
……………, которая представляет собой аналог митохондриального матрикса.
Б. Фотосинтетическая система поглощения света, цепь транспорта электронов и АТФсинтетаза находятся в уплощенных дисковидных мешочках, называемых ………………
В. …………………… — это крупный полимер глюкозы, который, подобно гликогенув
животных клетках, служит у растений запасным углеводом.
Г. Энергия, необходимая для осуществления электронного транспорта при фотосинтезе,
извлекается из солнечного света, поглощаемого молекулами ………………………
Д. Многочисленные реакции, протекающие при фотосинтезе, могут быть разделены на две
большие категории: реакции ………………… и реакции ……………………….
Е. Фиксация углерода катализируется ферментом ………………………..
Ж. Превращение СО2 в углеводы происходит в цикле реакций, который называется циклом
…………………………
З. При …………………. фотосистема I в хлоропластах переключается на циклическую
форму работы, при которой энергия направляется на синтез АТФ вместо NADPH.
2. Укажите, какие из следующих утверждений правильные, а какие – нет. Если утверждение
не верно, объясните почему.
62
А. В общем можно было бы представить хлоропласт как сильно увеличенную в размере
митохондрию, в которой кристы собраны в стопки связанных между собой
субмитохондриальных частиц, погруженных в матрикс.
Б. Процесс превращения энергии начинается с того, что молекула хлорофилла возбуждается
квантом света и один электрон переходит на новую орбиту с более высокой энергией.
В. Когда молекула хлорофилла в антенном комплексе поглощает фотон, возбужденный
электрон быстро переносится с одной молекулы хлорофилла на другую, пока не достигнет
фотохимического реакционного центра.
Г. За счет объединения двух фотосистем при фотосинтезе энергизации двух электронов из
воды двумя фотонами света достаточно для восстановления NADP+ до NADPH.
Д. Баланс между нециклическим фотофосфорилированием, при котором образуются АТФ и
NADPH, и циклическим фотофосфорилированием, приводящим к образованию только NADPH,
регулируется в соответствии с потребностью в АТФ.
Е. Для превращения СО2 в углеводы требуется непосредственно энергия света, тогда как для
образования О2 энергия света необходима опосредованно.
Ж. Главная реакция фиксации углерода состоит в том, что СО2 атмосферы реагирует с
пятиуглеродным соединением рибулозо-1,5-дифосфатом с образованием двух молекул
трехуглеродного соединения 3-фосфоглицетата.
З. Для образования органических молекул из СО2 и Н2О требуется как энергия связанного
фосфата (АТФ), так и восстановительная сила (NADPH).
3. Уравнение Ван Нила для фотосинтеза у высших растений следующее:
6СО2 + 12 Н2О → С6Н12О6 + 6 Н2О + 6О2,
Н2О присутствует в обеих частях этого уравнения. Имеет ли это число формальное значение
или является выражением важного аспекта фотосинтетичесого механизма?
4. Предположим, что в освещаемой суспензии Clorella активно идет фотоситнез, когда свет
внезапно выключается. Как изменится в следующую минуту содержание 3-фосфоглицерата и
рибулозо-1,5-дифосфата?
5. Седогептулезо-1,7-дифосфат – промежуточный продукт цикла Кальвина, но не
пензозофосфатного шунта. Какова ферментативная основа этого различия?
6. В какие положения включится 14С через несколько секунд после начала фотосинтеза,
идущего в присутствии 14СО2, в следующих молекулах:
а) дигидроксиацетонфосфата;
б) седогептулезо-7-фосфата;
в) глицерина;
г) фосфоенолпирувата?
63
ГЛАВА 4. БИОСИНТЕЗ ПРЕДШЕСТВЕННИКОВ МАКРОМОЛЕКУЛ
4.1. БИОСИНТЕЗ ОЛИГО- И ПОЛИСАХАРИДОВ
Рис. 17. Синтез гликогена
ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ
1. Крысе дают с пищей миристиновую кислоту СН3(СН2)12СОО-, меченную изотопом 14С по
карбоксильной группе. При этом повышения гликогена в печени не происходит, однако в
глюкозильных остатках гликогена появляется 14С.
А. Изобразите последовательность реакций (используя соответствующие уравнения), в
результате которых углеродные атомы глюкозильных остатков становятся мечеными.
64
Б. Объясните, почему не синтезируется новое количество гликогена из жирной кислоты.
2. Каким образом бактерии и растения, в отличие от животных, синтезируют углеводы из
ацетил-СоА?
3. Сколько высокоэнергетических фосфатных связей затрачивается на синтез одной
молекулы сахарозы исходя из молекулы глюкозы?
4. Переносчиком гликозильных групп в реакции биосинтеза гликогена является:
а) АТФ;
б) ГТФ;
в) АДФ;
г) УТФ;
д) УДФ.
5. Регуляторным ферментом синтеза гликогена является:
а) фосфоглюкомутаза;
б) глюкозо-1-фосфатуридинтрансфераза;
в) гликогенсинтаза;
г) гликогенфосфорилаза;
д) ά-1,6-глюкозидаза.
6. Реакцию биосинтеза гликогена катализируют ферменты:
а) ά-1,6-глюкозидаза;
б) гликогенфосфорилаза;
в) гликогенсинтетаза;
г) фосфоглюкомутаза;
д) ά-глюканветвящая глюкозилтрансфераза.
65
4.2. БИОСИНТЕЗ ЛИПИДОВ И ЖИРНЫХ КИСЛОТ
Рис. 18. Синтез жирных кислот
ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ
1. В чем аналогия и разница анаболизма и катаболизма жирных кислот с четным числом
углеродных атомов в углеродной цепи?
2. Какова роль образования малонил-СоА из ацетил-СоА и СО2 в синтезе жирных кислот?
3. Мультиферментный комплекс синтетаза жирных кислот локализован:
а) в матриксе митохондрий;
б) в цитозоле;
в) в эндоплазматическом ретикулуме;
г) во внутренней мембране митохондрий.
4. Биотин в качестве кофермента входит в состав ферментов:
а) β-кетоацил-АПБ-синтазы;
б) пируваткарбоксилазы;
в) тиокиназы жирных кислот;
г) ацетил-СоА-карбиксилазы.
66
5. Регуляторным ферментом синтеза высших жирных кислот является:
а) АПБ-ацилтрансфераза;
б) АПБ-малонилтрансфераза;
в) β-кетоацил-АПБ-синтаза;
г) β-кетоацил-АПБ-редуктаза;
д) ацетил-СоА-карбоксилаза.
6. Активатором регуляторного фермента ацетил-СоА-карбоксилазы является:
а) оксалоацетат;
б) малат;
в) глицерат;
г) АТФ;
д) цитрат.
7. Биосинтез мононенасыщенных жирных кислот идет из насыщенных при участии
ферментов:
а) NAD-зависимых дегидрогеназ;
б) FAD-зависимых дегидрогеназ;
в) дезатураз жирных кислот;
г) оксидаз.
8. Напишите активированную форму предшественника следующих реакций биосинтеза:
а) фосфатидилсерина из серина;
б) фосфатидилэтаноламина из этаноламина;
в) фарнезилпирофосфата из геранилпирофосфата.
67
9. Установите соответствие:
процесс
1) биосинтез жирных кислот
2) β-окисление жирных кислот
локализация, метаболиты, коферменты
а) малонил-СоА
б) происходит в цитоплазме
в) необходим NADPH
г) образуется АТФ
д) биотин-зависимый процесс
е) необходимы NAD+ и FAD+
10. Что является источником NADPH для синтеза жирных кислот:
а) окисление цтоплазматического глюкозо-6-фосфата в результате пентозофосфатного пути;
б) окисление малата до пирувата и СО2;
в) фотоокисление NADPH в листьях растений?
11. Предшественником каких соединений является ацетилСоА:
а) глицерола;
б) жирных кислот;
в) стероидов;
г) терпенов;
д) инозита?
12. Установите соответствие:
процесс
1) β-окисление
2) синтез жирных кислот
регуляторный фермент, ингибитор
а) ацетил-СоА-карбоксилаза
б) карнитинацетилтрансфераза
в) цитрат
г) малонил-СоА
68
13. В каком углеродном атоме холестерина будет обнаружена метка, если вы начинаете с:
а) 1-14С-ацетата;
б) 2-14С-ацетата;
в) 1-14С-мевалоновой кислоты;
г) 1-14С-мевалоновой кислоты?
14. Какой атом мевалоновой кислоты окажется меченым, если инкубировать
пировиноградную кислоту, содержащую 14С-метку в положении 2, с тканью печени?
69
15. Сколько высокоэнергетических фосфатных связей необходимо для биосинтеза одной
молекулы дипальмитилфосфатидилхолина из пальмитиновой кислоты, серина, глицерина и
метионина?
16. Напишите суммарное уравнение биосинтеза миристиновой кислоты СН 3(СН2)12СОО- из
ацетил-СоА, NADPH и АТФ.
17. Сколько высокоэнергетических фосфатных связей необходимо для биосинтеза одной
молекулы холестерина?
70
18. Напишите сбалансированное уравнение синтеза триацилглицерола из глицерола и
жирных кислот.
19. Какова роль образования малонил-СоА из ацетил-СоА и СО2 в синтезе жирных кислот?
20. В реакционной среде, содержащей пальмитилСоА (С15Н31-СО-СоА), меченый малонилСоА (НОО14С-СН2-СО-СоА) и синтетазный комплекс, образуется стеарил-СоА (С17Н33-СОСоА). Обладает ли продукт этой реакции радиоактивностью?
71
4.3. БИОСИНТЕЗ НУКЛЕОТИДОВ
Рис. 19. Синтез пуриновых нуклеотидов
72
Рис. 20. Синтез пиримидиновых нуклеотидов
ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ
1. Напишите сбалансированное уравнение синтеза 5-фосфорибозил-1-пирофосфата из
глюкозы через окислительную ветвь пентозофосфатного пути.
73
2. Напишите сбалансированное уравнение синтеза оротата из глутамина, СО 2 и
аспартата.
3. В каком положении молекулы адениловой кислоты, выделенной из гидролизата печени,
должен находится:
а) атом углерода карбонильной группы глиоксилата;
б) четвертый атом углерода фруктозы;
в) второй углеродный атом 3-фосфоглицерата;
г) атом азота амидной группы глутамина?
4. Вычислите число высокоэнергетических фосфатных связей, которое «спасает» клетка при
повторном использовании одной молекулы свободного гуанина для синтеза нуклеиновых
кислот.
5. Напишите суммарное уравнение образования UTP из СО2, NH3, АТР, рибозо-5-фосфата и
щавеливоуксусной кислоты у E. coli.
74
6. В каком положении молекулы цитидиловой кислоты РНК печени должен находится:
а) β-карбоксильный атом углерода α-кетоглутаровой кислоты;
б) атом азота амидной группы глутамина;
в) атом азота глутаминовой кислоты?
7. В каком положении обнаружится метка 14С в оротовой кислоте, если выращивать
бактериальные клетки в присутствии пирувата, меченного 14С по карбоксильной группе?
8. Какое соединение является источником аминогруппы при биосинтезе адениловой кислоты
из инозиновой кислоты:
а) аспартат;
б) глутамин;
в) карбомоилфосфат;
г) глицин?
75
4.4. БИОСИНТЕЗ АМИНОКИСЛОТ
ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ
1. Напишите суммарное уравнение образования глицина из цитрата, используемого в
качестве единственного источника углерода.
2. Предложите последовательность известных ферментативных реакций, в результате
которой происходит синтез аспартата, исходя только из глюкозы. Напишите
суммарное уравнение для предложенной вами последовательности реакций и полные
структурные формулы для всех участвующих соединений.
76
3. Предложите путь биосинтеза орнитина для пополнения его запаса в цикле мочевины.
Какая
еще
анаплеротическая
реакция
необходима
для
нормального
функционирования цикла мочевины?
4. Напишите сбалансированное уравнение синтеза аланина из глюкозы.
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ
1. Заполните пропуски в следующих утверждениях:
1.1. Внутренняя и наружная мембраны митохондрий разделяют два митохондриальных
компарктмента: внутренняя область - …………………….
и гораздо более узкое
……………………………. .
1.2. …………………… мембрана митохондрий напоминает сито, проницаемое для любых
молекул, в том числе для небольших белков с молекулярной массой менее 10 кДа.
1.3. Внутренняя мембрана обычно складчатая; она образует ряд перегородок, называемых
……………………., за счет которых поверхность внутренней мембраны существенно
увеличивается.
1.4. ……………………………., которые построены из трех молекул жирных кислот,
соединенных эфирными связями с глицеролом, не несут заряда и фактически нерастворимы в
воде; в цитозоле они сливаются в отдельные капельки.
1.5. Крупный разветвленный полимер глюкозы, который присутствует в цитоплазме в виде
гранул, известен под названием ………………….
1.6. В …………………… обычно окисляется 2/3 общего количества окисляемых в клетках
углеродсодержащих веществ; основными конечными продуктами при этом являются СО 2 и
NADH.
77
1.7. При переносе электронов от молекул NADH и FADH2 на кислород освобождается
большое количество энергии, которая используется для превращения АДФ и неорганического
фосфата в АТФ в процессе …………………..
1.8. Энергия, освобождающаяся при переносе электронов по дыхательной цепи, запасается в
форме ……………………….. на внутренней митохондриальной мембране.
1.9. Поток электронов через внутреннюю мембрану генерирует градиент рН и мембранный
потенциал, которые вместе создают ………………….. силу.
1.10. ……………………………. Синтезирует АТФ из АДФ и неорганического фосфата в
матриксе митохондрии в реакции, сопряженной с транспортом протонов внутрь митохондрий.
1.11. Белок F1-АТФаза представляет собой часть крупного трансмембранного комплекса,
содержащего, по крайней мере, девять различных полипептидных цепей и называемого теперь
………………………..
1.12. Различные ………………………….. составляют группу окрашенных белков,
объединяемых по признаку присутствия в молекуле связанного с белком гема. Атом железа в
составе гема переходит из Fe3+ в Fe2+, когда принимает электрон.
1.13 Белки, относящиеся ко второму большому семейству переносчиков электронов,
содержат 2 или 4 атома железа, которые связаны с равным количеством серы и равным
количеством остатков цистеина, образуя …………………………………. в молекулах этих
белков.
1.14. Самый простой из всех переносчиков электронов – это низкомолекулярное гидрофобное
соединение убихинон, который, как и другие ………………….., может принимать или отдавать
один или сразу два электрона.
1.15. Применение мягких ионных детергентов, которые солюбилизируют отдельные
компоненты внутренней мембраны митохондрий в нативной форме, позволило
идентифицировать и очистить три главных, связанных с мембраной ………………………,
функционирующих на пути транспорта электронов от NADH до кислорода.
1.16. ……………… принимает электроны от NADH и передает их через флавин и, по
крайней мере, пять железосерных комплексов к убихинону.
1.17. ………………. принимает электроны от убихинона и передает их на цитохром с.
1.18. ………………. принимает электроны от цитохрома с и переносит их на кислород.
1.19. Пары соединений, такие как NADH и NAD+, называют …………………., так как одно из
веществ превращается в другое за счет присоединения одного или более электронов, а также
одного или более протонов.
1.20. В смеси NADH и NAD+ в соотношении 1:1 поддерживается определенное «давление
электронов», или ………………………., который служит мерой сродства переносчика к
электрону.
2. Укажите, какие из следующих утверждений правильные, а какие нет. Если утверждение
неверно, объясните почему.
2.1. Чтобы обеспечить непрерывное получение энергии за счет окислительного метаболизма,
животные клетки хранят «горючее» в форме жирных кислот и глюкозы.
2.2. Наиболее важный вклад цикла лимонной кислоты в метаболизм заключается в
извлечении высокоэнергетических электронов при окислении двух углеродных атомов
ацетильной группы с образованием СО2.
2.3. Энергия, выделяющаяся при транспорте электронов по дыхательной цепи во внутренней
мембране митохондрий, используется для перекачивания протонов через мембрану из
мембранного пространства в матрикс.
2.4. Каждый последующий комплекс дыхательных ферментов в цепи переноса электронов
обладает большим сродством к электронам, чем предыдущий. Электроны последовательно
переходят от одного комплекса к другому, пока в итоге не достигнут кислорода, который
обладает наибольшим по сравнению со всеми комплексами сродством к электронам.
2.5. Как правило, протон-движущая сила во внутренней мембране дышащей митохондрии
почти на три четверти обусловлена мембранным потенциалом.
78
2.6. Полное изменение энтропии в результате какой-либо химической реакции выражается в
изменении свободной энергии, сопровождающей эту реакцию: чем больше увеличение
свободной энергии (когда ΔG становится большой положительной величиной), тем легче идет
данная реакция.
2.7. Значительная эффективность клеточного дыхания обусловлена, главным образом,
большим числом образующихся в процессе окисления промежуточных продуктов
(интермедиатов), благодаря чему огромное количество свободной энергии, освобождающейся
при окислении, дробится на небольшие порции.
2.8. Очищенная АТФ-синтетаза гидролизует АТФ до АДФ и рi, но в нативной, связанной с
митохондриальной мембраной форме она действует только в направлении синтеза АТФ.
2.9. Все белки, образующие дыхательную цепь, содержат атомы железа, которые служат
переносчиками электронов.
2.10. Токсичность таких ядов, как цианид и азид, обусловлена их способностью прочно
связываться с комплексом цитохромоксидазы и блокировать тем самым весь процесс
транспорта электронов.
2.11. Поскольку большинство цитохромов имеют более высокий окислительновосстановительный потенциал, чем железосерные белки, то цитохромы функционируют как
переносчики электронов в основном вблизи кислорода дыхательной цепи.
3. После 24 часов гидролиза запасы гликогена в печени истощаются, но в организме имеются
большие запасы жиров. Зачем при голодании протекает процесс глюконеогенеза, если в
организме есть практически безграничные запасы ацетил-СоА (из жирных кислот), которых
вполне хватает для производства энергии?
4. Фосфофруктокиназа – ключевой регуляторный фермент гликолиза. Назовите главный
аллостерический регулятор этого фермента. Как осуществляется контроль его
содержания в печени?
5. Укажите ферменты, активность которых регулируется путем ковалентной модификации?
В чем состоит эта модификация? Каким образом происходит демодификация?
6. Приведите примеры регуляции ферментативной активности по принципу обратной связи.
7. Каким образом происходит регуляция распада и синтеза гликогена?
8. Укажите, как регулируется синтез пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов.
79
9. Что такое регуляция путем субстратной специфичности? Объясните на примере
рибонуклеотид-редуктазы.
10. Почему ключевым ферментом гликолиза является фосфофруктокиназа, а, например, не
гексокиназа – первый фермент в цепи?
11. Что такое «холостой» субстратный цикл?
80
Список литературы:
1. Бунева В. Н., Кудряшова Н. В., Воробьев П. Е., Мызина С. Д. Биохимия: задачи и
упражнения. Новосибирск, НГУ, 2006.
2. Комов В. П., Шведова В. Н. Биохимия. М.: Дрофа, 2004.
3. Мецлер Д. Биохимия. М.: Мир, 1980.
4. Кнорре Д. Г., Мызина С. Д. Биологическая химия. М.: Высш. шк.. 2012.
5. Жеребцов Н. А., Попова Т. Н., Артюхов В. Г. Биохимия. Воронеж: Воронеж. гос. ун-т, 2002.
6. Страйер Л. Биохимия. М.: Мир, 1984. Т. 1-2.
7. Албертс Б., Брей Д., Льюис Д. и др. Молекулярная биология клетки. М.: Мир, 1994. Т. 1-3.
8. Ленинджер А. Основы биохимии. М.: Мир, 2005. Т. 1-3.
9. Биохимия: учебник для мед. вузов / Под ред. Е. С. Северина. М.: ГЭОТАР-МЕД, 2005.
10. Марри Р., Греннер Д., Мейес П. и др. Биохимия человека. М.: Мир, 1993. Т. 1-2.
81
Учебное издание
Тамкович Светлана Николаевна
Рабочая тетрадь к курсу «Биохимия» для студентов
совместного Китайско-Российского института
Учебно-методическое пособие
Подписано в печать
Формат. Усл. печ. л.. Тираж 100 экз.
Заказ №
Редакционно-издательский центр НГУ.
630090, Новосибирск-90, ул. Пирогова, 2.
82