Главная > Химия > Основы биохимии, Т.2.
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

Вопросы и задачи

1. Окислительно-иосстановительные реикции. NADH-дегидрогеназиын комплекс митохондриальной цепн переноса электронов катализирует следующие окислите льновосстановительные реакции (Fe3 + и Fe2 + означают здесь атомы железа железо-серных центров, -убихинон, -убихинол и Е-фермент):

Суммарная реакция:

Укажите для каждой из этих трех реакций, катализируемых NADH-дегидрогеназным комплексом: а) донор электронов, б) акцептор электронов, в) сопряженную окислительно-восстановительную пару, г) восстановитель и д) окислитель.

2. Стандартные восстановительные потенциалы. Стандартный восстановительный потенциал любой окислительно-восстановительной пары определяется реакцией, протекающей в полуэлементе:

Стандартные восстановительные потенциалы двух сопряженных пар и пируват/лактат равны соответственно — .

а) Какая из этих пар обладает большей способностью отдавать электроны? Аргументируйте свой ответ.

б) Какая из является более сильным окислителем? Почему?

в) В каком направлении пойдет реакция

если в начальный момент времени концентрации исходных веществ и продуктов равны 1 М при рН7?

г) Чему равно изменение стандартной свободной энергии для этой реакции при 25°С?

д) Чему равна константа равновесия этой реакции при 25°С?

3. Последовательность расположения переносчиков в цепи переноса электронов у одного из растений. Изучение цепи переноса электронов в клетках листьев шпината выявило в этих клетках ряд веществ, способных обратимо присоединять электроны. Ниже приведены стандартные восстановительные потенциалы этих веществ.

Укажите вероятную последовательность этих переносчиков электронов в дыхательной цепн, исходя из величин их стандартных восстановительных потенциалов. Составьте энергетическую диаграмму, подобную той, которая изображена на рис. 17-4. На каких этапах переноса выделение свободной энергии (в стандартных условиях) представляется недостаточным для того, чтобы на каждую пару переносимых электронов могла синтезироваться одна молекула АТР?

4. Баланс синтеза АТР, сопряженного с окислением субстрата. Ниже указаны четыре субстрата. Рассчитайт число молекул АТР, образующихся при полном окислительном расщеплении одной молекулы каждого из этих субстратов до .

а) Фруктозо-6-фосфат

б) Ацетил-СоА

в) Глицеральдегид-З-фосфат

г) Сахароза

5. Энергетический диапазон дыхательной цепи. Перенос электронов в митохондриальной дыхательной цепи описывается следующим суммарным уравнением:

а) Вычислите величину для этой суммарной реакции митохондриального переноса электронов.

б) Вычислите изменение стандартной свободной энергии для этой реакции.

в) Сколько молекул АТР теоретически может быть синтезировано за счет этой реакции, если изменение стандартной свободной энергии образования АТР равно + 7,3 ккал/моль?

6. При окислении сукцината акцептором электронов служит не NAD+, a FAD. На всех этапах, связанных с дегидрированием, в процессе гликолиза и в цикле лимонной кислоты акцептором электронов служит NAD + (). Единственным исключением является реакция, катализируемая сукцинатдегидрогеназой, использующей в качестве акцептора электронов ковалентно связанный с ней FAD (). Почему FAD является более подходящим акцептором электронов, чем NAD+, при дегидрировании сукцината? Предложите возможное объяснение этого факта, исходя из сравнения величин сукцинат-фумаратной системы, сопряженной пары NAD+ /NADH и пары .

7. Степень восстановления переносчиков электронов в дыхательной цепи. Степень восстановления каждого из переносчиков электронов в дыхательной цепи определяется условиями, существующими в митохондриях. Когда NADH и молекулярного кислорода достаточно, соответствующая стационарному состоянию степень восстановления переносчиков снижается при переходе электронов от субстрата на кислород. Если перенос электронов блокирован, то переносчики, занимающие в дыхательной цепи место перед блокированным этапом, становятся более восстановленными, а те, которые располагаются после блока, - более окисленными, как это поясняет гидравлическая модель дыхательной цепи, изображенная на рис. 17-14. Как будут выглядеть такие модели для следующих четырех случаев:

а) Достаточно NADH и , но добавлен цианид.

б) Достаточно NADH, но исчерпан запас

в) Достаточно , но исчерпан запас NADH.

г) Достаточно и NADH, и .

8. Влияние ротенона и антимицина А на перенос электронов. Ротенон (токсичное вещество, вырабатываемое одним из видов растений) резко подавляет активность митохондриальной -дегидрогеназы. Токсичный антибиотик антимицин А сильно ингибирует окисление убихинола.

а) Почему ротенон оказывается смертельным ядом для некоторых насекомых и рыб?

б) Почему антимииин А действует как яд в животных тканях?

в) Допустим, что оба эти вещества блокируют соответствующие участки дыхательной цепи с равной эффективностью. Какое из них будет при этом более мощным ядом? Дайте аргументированный ответ.

9. Разобщающие агенты при окислительном фосфорилироваиии. В нормальных митохондриях скорость переноса электронов строго согласована с потребностью в АТР. Поэтому если скорость использования АТР сравнительно невелика, то соответственно небольшой оказывается и скорость переноса электронов. Если же АТР расходуется с большой скоростью, то скорость переноса электронов тоже бывает высокой. В подобных условиях (при тесном сопряжении этих двух процессов) отношение т.е. число образовавшихся молекул АТР, в расчете на один атом потребленного кислорода, когда донором электронов служит NADH, равно приблизительно 3.

а) Как должна влиять относительно низкая и относительно высокая концентрация разобщающего агента на скорость переноса электронов и на величину ?

б) Прием внутрь разобщающих агентов вызывает обильное потоотделение и повышение температуры тела. Дайте этому феномену объяснение на молекулярном уровне. Как изменяется отношение в присутствии разобщающих агентов?

в) 2,4-динитрофенол, который является разобщающим агентом, пытались одно время использовать для борьбы с ожирением. На чем в принципе может быть основано подобное его действие? Теперь такого рода разобщающие агенты уже не применяются в качестве лекарственных препаратов, поскольку известны случаи, когда их применение приводило к летальному исходу. Почему прием разобщающих агентов может вызвать смерть?

10. Механизм действия дициклогексилкарбодиимида (, или DCCD). Если к суспензии активно дышащих митохондрий, в которых дыхание тесно сопряжено с фосфорилированием, добавить DCCD, то наблюдается резкое уменьшение скорости переноса электронов (оцениваемой по количеству поглощенного кислорода) и скорости фосфорилирования (оцениваемой по образованию АТР). Добавив затем к таким ингибироваиным митохондриальным препаратам 2,4-динитрофенол, мы обнаружим, что потребление кислорода возвращается к нормальному уровню, однако синтез АТР так и остается подавленным.

а) На какой этап процесса переноса электронов или окислительного фосфорилирования влияет DCCD?

б) Почему DCCD нарушает потребление в митохондриях? Каков механизм действия 2,4-динитрофенола на препарат ингибированных митохондрий?

в) С каким из перечисленных ниже ингибиторов более всего сходен по своему действию DCCD: с аитимицином А, ротеноном, олигомицином или арсенатом?

11. Окислительное фосфорилирование в инвертированных субмитохондриалъных пузырьках. Согласно хемиосмотической гипотезе, во время переноса электронов из интактных митохондрий «откачиваются» наружу ионы что приводит к возникновению градиента pH между двумя сторонами митохондриальной мембраны. Этот градиент pH заключает в себе энергию, благодаря которой ионы перемещаются в обратном направлении - из окружающей среды в митохондриальный матрикс. При этом ионы проходят через молекулы -АТРазы, чем обеспечивается синтез АТР из ADP и . Удалось показать, что полученные из внутренней митохондриальной мембраны инвертированные пузырьки, у которых -АТРазные головки обращены наружу (рис. 17-15), тоже способны к окислительному фосфорилированию.

а) Нарисуйте схему, которая показывала бы направление откачивания ионов во время переноса электронов в субмитохондриальных пузырьках.

б) Укажите на этой схеме направление потока ионов через молекулы -АТРазы во время синтеза АТР.

в) Как будут влиять на перенос электронов и на синтез АТР в таких субмитохондриальных пузырьках олигомицин и атрактилозид?

12. Митохондрии бурого жира. У новорожденных детей в области шеи и в верхней части спины имеется особая жировая ткань, которая у взрослых практически отсутствует, - так называемый бурый жир. Бурую окраску придают этой ткани митохондрии, которых в ней чрезвычайно много. У некоторых животных, впадающих в зимнюю спячку или приспособленных к обитанию в холодных местностях, тоже имеется бурый жир. В то время как в митохондриях печени при окислении NADH на каждый атом поглощенного кислорода образуются обычно три молекулы АТР, в митохондриях бурого жира выход АТР на один атом поглощенного кислорода составляет менее одной молекулы.

а) Какая физиологическая функция может определяться этим низким отношением в буром жире новорожденных?

б) Укажите возможные механизмы, которые могли бы определять столь низкое отношение характерное для митохондрий бурого жира.

13. Дикарбоксилатная транспортная система митохондрий. Во внутренней митохондриальной мембране имеется дикарбоксилатная транспортная система, которая обеспечивает перенос через мембрану малата и -кетоглутарата. Эта транспортная система ингибируется -бутилмалонатом. Предположим, что -бутилмалонат добавлен к суспензии аэробных почечных клеток, использующих в качестве топлива одну только глюкозу. Как должен подействовать -бутилмалонат на а) гликолиз, б) потребление кислорода, в) образование лактата и г) синтез АТР?

14. Эффект Пастера. Если в суспензию анаэробных клеток, потребляющих глюкозу с большой скоростью, ввести кислород, то клетки начнут его поглощать и уровень потребления глюкозы резко понизится. Одновременно с этим прекратится накопление лактата. Этот эффект, характерный для клеток, способных и к аэробному, и к анаэробному потреблению глюкозы, впервые наблюдал Луи Пастер в 60-х годах прошлого века, и потому он был назван эффектом Пастера.

а) Почему при введении в клеточную суспензию кислорода прекращается накопление лактата?

б) Почему в присутствии кислорода снижается скорость потребления глюкозы?

в) Каким образом после начавшегося потребления кислорода понижается скорость потребления глюкозы? Объясните это, исходя из специфичного действия ферментов.

15. Изменение энергетического заряда клеток. При изменении физиологической активности клеток скелетных мышц энергетический заряд этих клеток, равный в норме 0,89, сначала резко снижается приблизительно до 0,70, а потом постепенно возвращается к своему обычному уровню.

а) Какое именно изменение активности обусловливает это внезапное уменьшение энергетического заряда? Поясните свой ответ.

б) Как должно повлиять это внезапное изменение на скорость гликолиза и дыхания?

в) Каким образом энергетический заряд способен влиять на гликолиз и дыхание?

16. Сколько ионов содержится в одной митохондрии? Хемиосмотическая гипотеза предполагает, что о результате переноса электронов ионы «выталкиваются» из матрикса митохондрий наружу, вследствие чего между двумя сторонами митохондриальной мембраны возникает градиент pH, при котором наружная фаза оказывается более кислой, чем внутренняя. Способность ионов Н f диффундировать в обратном направлении, из окружающей среды в митохондриальный матрикс (где их концентрация ниже), служит, согласно этой гипотезе, движущей силой для синтеза АТР, катализируемого -АТРазой. В митохондриях, суспендированных в среде с происходит окислительное фосфорилирование. Найдено, что pH митохондриального матрикса равен при этом 7,7.

а) Вычислите, чему равны молярные концентрации ионов в окружающей среде и в матриксе митохондрий для этих условий.

б) Определите отношение концентраций снаружи и внутри, дающее представление об энергии, которую эта разность концентраций в себе заключает (см. гл. 14).

в) Определите число ионов приходящееся на одну дышащую митохондрию печени. При этом расчете исходите из предположения, что внутреннее пространство митохондрии представляет собой сферу диаметром 1,5 мкм.

г) Учитывая полученные вами данные, можно ли считать один только этот градиент pH достаточным источником энергии для синтеза АТР?

д) Если, по вашему мнению, одного этого градиента pH недостаточно, то какой другой источник энергии, необходимой для синтеза АТР, могли бы вы указать?

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление