Вопросы и задачи

1. Сохранение сладкого вкуса кукурузы. Сладкий вкус зерен в свежесобранных початках кукурузы обусловлен высоким содержанием в них сахара. Кукуруза, которую продают через несколько дней после сбора, имеет более низкую сахаристость, так как около 50% свободного сахара в зернах превращаются в крахмал в течение одного дня хранения. Чтобы сохранить сладкий вкус свежесобранной кукурузы, очищенные початки помещают на несколько минут в кипящую воду («бланшируют»), а затем охлаждают в холодной воде. Кукуруза, обработанная таким образом и хранящаяся в замороженном виде, сохраняет свой сладкий вкус. В чем биологическая основа этой обработки?

2. Внутриклеточная концентрация ферментов. Чтобы оценить в первом приближении фактическую концентрацию ферментов в бактериальной клетке, предположим, что она содержит 1000 разных ферментов, растворенных в цитозоле. Мы можем сильно упростить задачу, предположив далее, что молекулярная масса каждого из них составляет 100000, и что все 1000 ферментов присутствуют в одинаковой концентрации. Рассчитайте среднюю молярную концентрацию ферментов в такой гипотетической клетке, исходя из следующих условий: в бактериальной клетке (которая представляет собой цилиндр диаметром 1 мкм и высотой 2 мкм) цитозоль (удельный вес 1,20) содержит 20% (по весу) растворимого белка и весь этот растворимый белок полностью состоит из различных ферментов.

3. Катализ уреазой. Фермент уреаза повышает скорость гидролиза мочевины при pH 8,0 и 20 °С в раз. Если данное количество уреазы может полностью гидролизовать данное количество мочевины за 5 мин при pH 8,0 и 20 °С, сколько времени потребовалось бы для полного гидролиза мочевины в тех же условиях без уреазы? Предполагается, что обе реакции проходят в стерильных условиях без доступа бактерий.

4. Требования, которым удовлетворяют активные центры ферментов. Активный центр фермента обычно представляет собой «карман» на поверхности фермента, выстланный боковыми цепями аминокислот, необходимыми для связывания субстрата и катализа его химического превращения. Молекула карбоксипептидазы, последовательно отщепляющей С-концевые аминокислотные остатки от субстратов (пептидов), состоит из одной полипептидной цепи (307 аминокислотных остатков). Три главные каталитические группы в активном центре - это аргинин 145, тирозин 248 и глутаминовая кислота 270 (номер указывает положение аминокислоты в аминокислотной последовательности фермента).

а) Если бы карбоксипептидаза представляла собой идеальную -спираль, то на каком расстоянии (в нм) друг от друга находились бы аргинин 145 и тирозин 248; аргинин 145 и глутаминовая кислота 270? (Подсказка: см. рис. 7-6).

б) Объясните, каким образом эти три аминокислоты, расположенные так далеко друг от друга в полипептидной цепи, могут катализировать реакцию, участники которой занимают пространство размером в несколько десятых долей нанометра.

в) Если в процессе гидролиза участвуют только эти три каталитические группы, для чего ферменту необходимо иметь так много аминокислотных остатков?

5. Количественное определение лактатдегидрогеназы. Мышечный фермент лактат-дегидрогеназа катализирует реакцию:

В отличие от раствор поглощает свет при 340 нм (ближняя ультрафиолетовая область спектра) Это свойство используется для определения концентрации в растворе путем измерения поглощения раствора при 340 нм с помощью спектрофотометра. Объясните, как эти свойства можно использовать для количественного определения лактатдегидрогеназы

6. Оценка непосредственно по данным о скорости реакции. Хотя для точного определения величин характеризующих ферментативную реакцию, используют обычно графические методы (см, например, дополнение 9-2), эти величины можно определить, измерив скорости реакции при возрастающих концентрациях субстрата. Исходя из определения и оцените приблизительные значения этих величин для ферментативной реакции по следующим данным

7. Физический смысл . В лаборатории два студента независимо друг от друга выделили фермент лактатдегидрогеназу (из сердца цыпленка), катализирующую восстановление пирувата до лактата. Фермент был получен в виде концентрированного раствора. Затем оба студента измерили ферментативную активность полученных ими растворов в одних и тех же условиях при разных концентрациях субстрата и таким образом определили и своих препаратов. При сравнении результатов они обратили внимание на то, что значения у них совпадали, а значения существенно различались Один из студентов утверждал, что разные значения свидетельствуют о том, что они получили различные формы одного и того же фермента. Другой же утверждал, что, несмотря на разные значения они выделили одну и ту же форму фермента Кто из них прав? Объясните, как можно разрешить это противоречие?

8. Связь между скоростью реакции и концентрацией субстрата уравнение Михаэлиса-Ментен.

а) При какой концентрации субстрата фермент, для которого максимальная скорость превращения субстрата составляет 30 мкмолей/мин мг, а величина равна 0,005 М, будет работать со скоростью, равной 1/4 максимальной?

б) Определите, какую долю будет составлять скорость реакции при концентрациях субстрата, равных

9. Графическое определение величин и При определении каталитической активности пептидазы из тонкого кишечника, гидролизующей дипептид глицилглицин:

были получены следующие экспериментальные данные:

По этим данным определите графическим путем (см. дополнение 9-2) величины и для этого препарата фермента.

10. Число оборотов карбоангидразы. Карбоангидраза эритроцитов, имеющая молекулярную массу 30000, один из самых активных ферментов, извесгных в настоящее время. Она катализирует обратимую реакцию гидратации

которая играет важную роль в транспорте из тканей в легкие. Рассчитайте число оборотов карбоангидразы, если при оптимальных условиях чистой карбоангидразы катализируют гидратацию 0,30 г в 1 мин при 37°С.

11. Необратимое ингибирование фермента. Многие ферменты необратимо ингибируются ионами тяжелых металлов, такими, как или которые могут взаимодействовать с важными для активности фермента сульфгидрильными группами с образованием меркаптидов:

Сродство ионов к сульфгидрильным группам столь велико, что эти ионы можно использовать для количественного титрования -групп. К 10 мл раствора, содержащего чистого фермента, добавили такое количество которое достаточно для полной инактивации фермента.

Для этого потребовалось 0.342 мкмоля Рассчитайте минимальную молекулярную массу фермента. Почему значение молекулярной массы, полученное таким путем, будет минимальным?

12. Защита фермента от тепловой денатурации. При нагревании раствора фермента со временем он постепенно утрачивает каталитическую активность. Это обусловлено разворачиванием молекулы нативного фермента, которая по мере возрастания ее тепловой энергии принимает конформацию беспорядочного клубка. При инкубации раствора гексокиназы в течение 12 мин при фермент теряет 50° активности, но если гексокиназа инкубируется при 45 С в присутствии очень большой концентрации одного из ее субстратов - глюкозы, то она утрачивает только 3% активности. Объясните, почему тепловая денатурация гексокиназы замедляется в присутствии одного из ее субстратов.

13. Клиническое применение дифференцированного ингибирования ферментов. В сыворотке крови человека содержатся ферменты, известные под названием кислых фосфатаз, которые гидролизуют биологические фосфоэфиры в слабо кислой среде (pH 5,0):

Кислые фосфатазы синтезируются в эритроцитах, печени, почках, селезенке и предстательной железе (простате). С медицинской точки зрения фермент из предстательной железы имеет весьма важное значение, так как повышение его концентрации в крови часто служит указанием на рак простаты. Фосфатаза из простаты сильно ингибируется тартрат-ионами, тогда как кислые фосфатазы из других тканей не ингибируются этими ионами. Как можно использовать эти данные для разработки метода специфического определения активности кислой фосфатазы из предстательной железы в сыворотке крови человека?

14. Ингибирование карбоангидразы ацетазоламидом. Карбоангидраза сильно ингибируется ацетазоламидом. применяемым как мочегонное средство и как препарат для лечения глаукомы, характеризующейся чрезмерным повышением внутриглазного давления. В этих и других секреторных процессах карбоангидраза играет важную роль, поскольку она участвует в регуляции pH и содержания бикарбоната во многих жидкостях организма человека. На рисунке показана экспериментальная кривая, выражающая зависимость скорости реакции, катализируемой карбоангидразой от концентрации субстрата. При проведении опыта в присутствии ацетазоламида получается нижняя кривая. Исходя из анализа кривых и ваших знаний о кинетических свойствах конкурентных и неконкурентных ингибиторов ферментов, определите природу ингибирования ацетазоламидом. Объясните, на чем основано ваше утверждение.

15. Помощь при отравлении метанолом. Метанол (древесный спирт), который когда-то использовался как антифриз для автомобилей, очень токсичен; прием внутрь всего лишь 30 мл метанола может привести к смерти. Такая необычайно высокая токсичность метанола обусловлена действием не столько самого метанола, сколько продукта его метаболизма - формальдегида. Метанол быстро окисляется до формальдегида под действием фермента печени алкогольдегидрогеназы:

Один из методов лечения при отравлении метанолом состоит в том, что больному назначают этанол (этиловый спирт) либо внутрь, либо внутривенно в количествах, которые у здорового человека вызывают интоксикацию. Объясните, почему такое лечение оказывается эффективным?

16. Оптимум лизоцима. Ферментативная активность лизоцима максимальна при pH 5,2 и уменьшается как при снижении, так и при повышении этого значения (см. рисунок). Лизоцим содержит в активном центре два аминокислотных остатка, необходимых для катализа: глутаминовую кислоту в положении 35 и аспарагиновую кислоту в положении 52. Величины карбоксильных групп боковых цепей этих двух остатков равны соответственно 5,9 и 4,5. В каком ионизированном состоянии (протонированном или депротонированном) находится каждый из этих аминокислотных остатков в оптимуме лизоцима?

Задача 16

Как можно объяснить форму приведенной на рисунке кривой, характеризующей зависимость активности лизоцима от исходя из того, что нам известно, в каком состоянии ионизации находятся эти два аминокислотных остатка?