Вопросы и задачи

1. Баланс цикла лимонной кислоты. В цикле лимонной кислоты для расшепления анетил-СоА используются восемь ферментов: цитрат-синтаза. аконитаза. изоци-тратдегидрогеназа, -кетоглутаратдегидрогеназа. сукцинил-СоА-синтетаза. сукцинатдегидрогеназа, фумараза и малатдегидрогеназа.

а) Напишите уравнение химического баланса для реакций, катализируемых каждым из этих ферменюв.

б) Какой кофактор (или кофакторы) необходим для каждой из этих реакций?

в) Для каждого из ферментов укажите, к какому из перечисленных ниже типов принадлежит катализируемая им реакция: конденсация (образование углерод-утерочной связи): дегидратация (отщепление воды); гидратация (присоединение воды); декарбоксилирование (отщепление ), окисление - восстановление; фосфорилирование на уровне субстрата; изомеризация.

г) Напишите суммарное уравнение химического баланса для превращения ацетил-СоА в двуокись углерода.

2. Распознавание окислительно-восстановительных реакций в процессах метаболизма. Биохимическая стратегия живых организмов заключается в постадийном окислении органических соединений до двуокиси углерода и воды. Благодаря сопряжению этих реакций с другими реакциями значительная часть энергии, высвобождающейся при окислении, запасается в форме АТР.

Важно уметь распознавать окислительно-восстановительные процессы в метаболизме, исходя из наблюдаемых химических превращений. Восстановление какой-либо органической молекулы происходит в результате гидрирования (присоединения водорода Н-Н) по двойной связи (1) или по простой связи в этом случае с ее разрывом (2). Окисление же, наоборот, происходит в результате дегидрирования (отщепление водорода Н-Н). В биохимических окислительно-восстановительных реакциях (см. ниже, п. 3) функцию дегидрирования - гидрирования органических молекул выполняют в присутствии соответствующих ферментов сопряженные пары коферментов: NAD+-NADH и FAD FADH2.

Укажите, что именно происходит (окисление или восстановление) в каждом из приведенных ниже метаболических превращений. Напишите уравнения химического баланса, добавив Н-Н.

3. Никотинимидные коферменты - переносчики водорода в обратимых окислительно-восстановительных реакциях (гл. 10). Никотинамидные коферменты могут вступать в обратимые окислительно-восстановительные реакции со специфичными субстратами в присутствии соответствующих дегидрогеназ.

В окислительно-восстановительной реакции участвует никотинамидное кольцо кофермента; остальная часть его молекулы играет роль связывающей группы, которую узнает соответствующая дегидрогеназа. Формально источником водорода (Н-Н; см. п. 2) считается . Когда кофермент окисляется, одновременно должен восстанавливаться субстрат:

Укажите для каждой из приведенных ниже реакций, что происходит с субстратом, т. е. окисляется ли он, восстанавливается или степень его окисления остается неизменной (см. п. 2). Для тех реакций, в которых происходит окисление или восстановление субстрата, напишите уравнения химического баланса, указав требуемые количества . Задача состоит в том, чтобы распознать, нужен ли для той или иной реакции окислительно-восстановительный кофермент.

4. Стимулирование потребления кислорода оксалоацетатом и малатом. В начале 30-х годов Альберт Сент-Дьёрдьи сообщил об интересном наблюдении. Он добавлял к дышащим суспензиям измельченной грудной мышцы голубя оксалоацетат или малат и обнаружил, что потребление кислорода при этом усиливается. При измерении количества потребляемого кислорода было выявлено одно удивительное обстоятельство: количество потребленного кислорода в 7 раз превышало то, какое требовалось для полного окисления добавленного оксалоацетата или малата до двуокиси углерода и воды.

а) Почему добавление оксалоацетата или малата усиливает потребление кислорода?

б) Почему количество поглощенного кислорода во много раз превышает то, которое требуется для полного окисления добавленного оксалоацетата или малата?

5. Число молекул оксалоацетата в митохондрии. В последней реакции цикла лимонной кислоты происходит дегидрирование малата, в результате чего регенерирует оксалоацетат, необходимый для взаимодействия с ацетил-СоА в цитрат-синтазной реакции

а) Вычислите константу равновесия для этой реакции при 25°С.

б) Поскольку величина относится к стандартному значению pH, т.е. pH 7, константа равновесия, вычисленная, как в п. «а», равна

Как показывают измерения, концентрация L-малата в митохондриях печени крысы составляет приблизительно а отношение концентраций NAD + /NADH равно 10. Вычислите концентрацию оксалоацетата в митохондриях печени крысы при pH 7.

в) Митохондрии из печени крысы имеют форму шариков диаметром около 2 мкм. Чтобы правильно оценить концентрацию оксалоацетата в митохондриях, определите число его молекул, приходящееся на одну митохондрию.

6. Изучение процесса дыхания в изолированных митохондриях. Можно изучать клеточное дыхание на препаратах изолированных митохондрий, наблюдая за тем, как изменяется поглощение кислорода этими препаратами в зависимости от условий. Если к активно дышащим митохондриям. использующим в качестве единственного источника «топлива» пи-руват, добавить 0,01 М малонат натрия, то дыхание внезапно прекращается и накапливается один из промежуточных продуктов метаболизма.

а) Какова структура накапливающегося промежуточного продукта?

б) Почему он накапливается?

в) Почему прекращается потребление кислорода?

г) Каким способом (кроме простого удаления малоната) можно снять вызванное малонагом ингибирование? Поясните свой ответ.

7. Опыты с мечеными соединениями на препаратах изолированных митохондрий. Метаболические пути, на которых совершаются превращения тех или иных органических соединений, часто изучают, используя меченые субстраты и прослеживая судьбу метки.

а) Как определить, действительно ли глюкоза, добавленная к суспензии изолированных митохондрий, расщепляется до ?

б) К препарату митохондрий добавили пиру ват, меченный по метальной группе. Какое положение займет в оксалоацетате после одного оборота цикла лимонной кислоты? Аргументируйте свой ответ, проследив судьбу метки на всем протяжении цикла.

в) Сколько оборотов цикла лимонной кислоты потребуется для того, чтобы весь выделился в виде ? Аргументируйте свой ответ.

8. Катаболизм 1-14С-глюкозы.. Активно дышащую бактериальную культуру в течение короткого времени инкубировали с 1-14С-глюкозой, а затем выделили из нее промежуточные продукты гликолиза и цикла лимонной кислоты. Эти промежуточные продукты перечислены ниже. Укажите, какое положение занимает в каждом из них . Учитывайте при этом только начальное включение в молекулу.

а) Фруктозо-1,6-дифосфат

б) Глицеральдегид-З-фосфат

в) Фосфоенолпируват

г) Ацетил-СоА

д) Цитрат

е) -Кетоглутарат

ж) Оксалоацетат

9 Синтез оксалоацетата в цикле лимонной кислоты. Оксалоацетат образуется на последней стадии цикла лимонной кислоты в результате NAD+-зависимого окисления L-малата. Возможен ли синтез оксалоацетата из ацетил-СоА под действием одних только ферментов и кофакторов цикла лимонной кислоты, без траты промежуточных продуктов цикла? Дайте подробный ответ. Как пополняется запас оксалоацетата?

10. Механизм действия фторацетата, применяемого в качестве родентицида Препарат фторацетата, изготовляемого промышленным способом, применяется как средство борьбы с грызунами. В природе фторапетат обнаружен в одном из южноафриканских растений. Проникнув в клетки, он превращается во фторацетил-СоА в реакции, катализируемой ферментом ацетаттиокиназой

Для изучения токсического действия фторацетата был проведен эксперимент на интактном изолированном сердце крысы. После перфузии сердца фторацетатом уменьшалось поглощение глюкозы и снижалась скорость гликолиза, а глюкозо-6-фосфат и фруктозо-6-фосфат накапливались. Концентрации всех промежуточных продуктов цикла лимонной кислоты были при этом ниже нормы, и только концентрация цитрата превышала норму в 10 раз.

а) В какой точке блокируется цикл лимонной кислоты? Почему цитрат накапливается, а запас других промежуточных продуктов цикла истощается?

б) Фторацетил-СоА подвергается ферментативным превращениям в цикле лимонной кислоты. Какова структура конечного продукта обмена фторацетата? Почему он блокирует цикл лимонной кислоты? Как можно снять это ингибирование?

в) Почему после перфузии сердца фторацетатом уменьшается поглощение глюкозы и снижается скорость гликолиза? В чем причина накопления монофосфатов?

г) Почему отравление фторацетатом смертельно?

11. Синтез -кетоглутарата. -Кетоглутарат играет центральную роль в биосинтезе ряда аминокислот. Предложите последовательность известных ферментативных реакций, результатом которой будет реальный синтез -кетоглутарата из пирувата. Эти реакции не должны предусматривать потребления каких-либо промежуточных продуктов цикла лимонной кислоты. Напишите суммарное уравнение для предложенной вами последовательности реакций и укажите источник каждого реагирующего вещества.

12. Глиоксилатный цикл в семенах растений. Животные не могут синтезировать углеводы из жиров, потому что они не способны превращать (продукт расщепления жирных кислот) в пируват или оксалоацетат (соединения, необходимые для биосинтеза глюкозы). В случае же растений и некоторых микроорганизмов дело обстоит иначе. Благодаря имеющимся у них ферментам, изоцитратлиазе и малат-синтазе (рис. 16-18), они могут синтезировать оксалоацетат из в глиоксилатном цикле. В семенах высших растений содержатся большие количества масел, которые при прорастании служат источником жирных кислот, используемых в качестве предшественников для синтеза целлюлозы на ранних стадиях развития, когда синтетический аппарат еще не сформировался. Напишите уравнения известных ферментативных реакций, последовательность которых обеспечивала бы реальный синтез оксалоацетата, используемого для биосинтеза глюкозы, из Ваша схема не должна предусматривать потребления какого-либо промежуточного продукта цикла лимонной кислоты. Напишите суммарное уравнение образования оксалоацетата из Укажите источники всех кофакторов.

13. Катаболизм глюкозы. Гликолиз и пентозофосфатный путь. Изотопные методы дают возможность определить, какая часть катаболизма глюкозы в данной клетке или в данной ткани идет по гликолитическому, а какая-по пентозофосфатному пути. Клетки делят на две порции: одну инкубируют с а другую - с После этого сравнивают начальные скорости появления образующейся в результате окисления глюкозы, у этих двух вариантов. Объясните, в чем заключается химический смысл такого подхода. Какими должны быть относительные начальные скорости образования в клетках печени, если исходить из того, что катаболизм глюкозы распределен поровну между гликолитическим и пентозофосфатным путями?