БЛОК 4. ОБМЕН АМИНОКИСЛОТ И БЕЛКОВ

1. Назовите α-кетокислоты, образующиеся из перечисленных ниже аминокислот в реакции трансаминирования с α-кетоглутаратом. Напишите структурные формулы этих α-кетокислот. Назовите ферменты, катализирующие указанный процесс, определите их класс и подкласс. Напишите механизм трансаминирования с участием простетической группы – пиридоксальфосфата.

2. Активность аланинтрансаминазы (скорость аланинтрансаминазной реакции) измеряют обычно, вводя в реакционную систему избыток очищенной лактатдегидрогеназы и NADH. Скорость исчезновения аланина равна скорости исчезновения NADH, которую измеряют спектрофотометрическим методом. Объясните, что здесь происходит.

3. Какие амины образуются в результате декарбоксилирования лизина, тирозина, гистидина и триптофана? Напишите уравнения реакций декарбоксилирования названных аминокислот и укажите ферменты, ускоряющие данные процессы.

4. Приведите схему окислительного дезаминирования Glu и укажите фермент, ускоряющий этот процесс.

5. Напишите уравнения реакций, протекающих в соответствии со схемой:

Glu → γ-полуальдегид глутаминовой кислоты → Pro.

Назовите все ферменты согласно международной номенклатуре. Где это возможно, дайте ферментам тривиальные или рациональные названия.

6. Приведите уравнения реакций, характеризующие многообразие путей биосинтеза α-аланина. Назовите все ферменты согласно международной номенклатуре. Где возможно, дайте ферментам тривиальные или рациональные названия.

7. Предложите вероятную схему образования орнитина из глутаминовой кислоты. Назовите все ферменты согласно международной номенклатуре. Где возможно, дайте ферментам тривиальные или рациональные названия.

8. Напишите уравнения реакций, протекающих по следующей схеме:

гомосерин → цистатион → гомоцистеин → метионин.

Укажите ферменты, ускоряющие перечисленные реакции. Назовите все ферменты согласно международной номенклатуре. Где это возможно, дайте ферментам тривиальные или рациональные названия.

9. В обмене веществ большая роль принадлежит реакциям трансметилирования, осуществляющимся при участии S⁺-аденозилметионина. Напишите уравнения реакций, протекающих по схеме:

Met → S⁺-аденозилметионин → саркозин.

10. Напишите уравнения реакций, протекающих по схеме:

.

Какую биологическую роль играют серотонин и гетероауксин? Укажите ферменты, осуществляющие ускорение реакций образования этих биологически активных веществ из триптофана.

11. Напишите уравнения реакций, протекающих по схеме:

12. Напишите схему биосинтеза аминокислот. Назовите все ферменты, участвующие в отдельных стадиях, определите их класс и подкласс.

а) биосинтез изолейцина:

б) биосинтез валина

в) биосинтез лейцина у кишечной палочки (Escherichia coli):

г) биосинтез лизина.

Синтез лизина осуществляется двумя различными путями. Первый из них – путь диаминопимелиновой кислоты, который функционирует у бактерий, некоторых низших грибов, водорослей и высших растений. Второй – аминоадипиновый путь, который наблюдается у высших грибов, другой части низших грибов и у Euglena. Обсудите, с чем связано разделение путей биосинтеза лизина у разных организмов, дайте мотивированный ответ. Может ли происходить синтез лизина в клетках млекопитающих и почему?

г1) путь диаминопимелиновой кислоты:

Примечание: пиколиновая кислота – пиридин-2-карбоновая кислота; пимелиновая кислота – гептандиовая кислота.

г2) аминоадипиновый путь

д) биосинтез метионина

е) биосинтез триптофана

ж) Дайте определение энергетических валют клетки. Какие энергетические валюты вы знаете, приведите примеры. Почему валюты клетки являются конвертируемыми? Напишите структурную формулу креатинфосфата, укажите его биологическую роль. Напишите уравнение реакции ферментативного гидролиза креатинфосфата до креатина и фосфорной кислоты, укажите фермент, ускоряющий этот процесс. Напишите цепочку превращений, составляющих биосинтез креатина. Укажите, с обменом каких биологически важных молекул связан обмен креатина.

Примечание: .

Укажите биологическую роль S⁺-аденозилметионина. Можно ли креатинфосфат считать энергетической валютой клетки и почему? Дайте развёрнутый ответ.

з) Предшественником ароматических аминокислот (фенилаланина, тирозина и триптофана) является хоризмат:

,

который образуется из эритрозо-4-фосфата и пировиноградной кислоты. Какую биологическую роль играет наличие общего предшественника у ряда аминокислот? Приведите примеры коллекторных соединений (общих предшественников) заменимых аминокислот у млекопитающих. Осуществите синтез ароматических аминокислот из хоризмата, приведённый ниже:

13. Ниже приведены схемы деградации аминокислот. Напишите все уравнения реакции. Укажите ферменты, катализирующие отдельные стадии, назовите их, определите класс и подкласс. На примере конечных продуктов распада объясните, почему катаболизм аминокислот связан с обменом углеводов.

а) Катаболизм пролина:

Примечание: * - неферментативная реакция.

б) Катаболизм аргинина:

в1) Катаболизм цистеина (путь прямого окисления):

Примечание: сульфинаты – производные сульфиновой кислоты R-SO₂H.

в2) Катаболизм цистеина (трансаминазный путь):

г) Катаболизм триптофана:

Примечание: кинуренин .

д) Катаболизм метионина:

е) Катаболизм валина:

ж) Катаболизм лейцина:

Примечание: глутаконовая кислота – пентен-2-диовая кислота.

з) Катаболизм изолейцина:

Примечание: тиглиновая кислота – (Z)-2-метил-2-бутеновая кислота.

и) Взаимосвязь катаболизма фенилаланина и тирозина:

Примечание: гомогентизиновая кислота – – 2,5-диоксифенилуксусная кислота.

к) Катаболизм лизина:

Примечание: глутаконовая кислота – пентен-2-диовая кислота.

14. Приведите схему активирования аминокислоты при биосинтезе белка. Сколько ферментов участвует в ускорении этого двухстадийного процесса? Назовите соответствующие аминоацил-t-RNA.

15. Используя соответствующие аминоацил-tRNA, получите олигопептид. (Имейте в виду, что первой в цепи должна быть инициирующая аминокислота.) Для решения задачи используйте только структурные формулы всех веществ. Какое сокращённое обозначение могут иметь применяемые вами аминоацил-tRNA? Какую вероятную нуклеотидную последовательность имеет фрагмент транслирующей матрицы, танскрибируемой и нетранскрибируемой цепей DNA?

16. У здоровых людей почти весь фенилаланин, который не израсходовался на синтез белка, превращается в печени в тирозин. У больных фенилкетонурией метаболизм фенилаланина отклоняется в направлении образования фенилпировиноградной кислоты, которая либо накапливается, либо превращается в фенилмолочную кислоту. В том и другом случае организм испытывает острый токсикоз. Поэтому больным фенилкетонурией феналаланин, содержащийся в большинстве продуктов питания белковой природы, противопоказан и им назначается специальная диета. Небольшая доля фениллактата окисляется в фенилуксусную кислоту, которая экстретируется из гепатоцитов в виде фенилацетилглутамина. Напишите все указанные уравнения реакций, назовите ферменты, катализирующие отдельные стадии, определите их класс и подкласс. Какой фермент в клетках печени отсутствует у больных фенилкетонурией?

17. Будут ли у вас обнаруживаться признаки недостаточности аспартата на рационе, который богат аланином, но беден аспартатом? Дайте аргументированный ответ.

18. В печени крысы происходит окислительное расщепление глутаминовой кислоты, меченной ¹⁴С по 2-му углеродному атому и ¹⁵N по аминогруппе. Ниже перечислен ряд метаболитов. В каких атомах названных метаболитов обнаружится каждая из меток?

а) мочевина; б) сукцинат; в) аргинин; г) цитруллин; д) орнитин; е) аспартат.

19. Опубликовано сообщение [J. Morris, Q. Rogers, Science 199, 431 (1978)] о следующем эксперименте. Кошкам, не получившим пищи накануне вечером, дали утром натощак аминокислотную смесь, содержавшую весь набор аминокислот, за исключением аргинина. Через 2 ч содержание аммиака в крови у животных возросло до 140 мкг/л (при норме 18 мкг/л) и появились клинические симптомы аммиачного отравления. Одна из кошек, съевшая всего лишь 8 г такой аминокислотной смеси, через 4,5 ч погибла. В контрольной группе, получившей полный набор аминокислот или смесь, в которой аргинин был заменен орнитином, никаких необычных клинических симптомов обнаружено не было.

а) Какую роль играло в этом эксперименте предварительное голодание?

б) В чём причина повышения уровня аммиака в крови? Почему отсутствие аргинина в рационе приводит к аммиачному отравлению? Является ли аргинин для кошек незаменимой аминокислотой?

в) Почему аргинин может быть заменён орнитином?

20. Бактерии, обитающие в корневых клубеньках гороха, потребляют свыше 20% всего АТР, образуемого этим растением. Назовите причину, которой можно было бы объяснить, почему эти бактерии потребляют так много АТР.

21. Нормальные клетки E. coli (кишечной палочки) синтезируют все аминокислоты, но некоторым ауксотрофным мутантам, не способным к синтезу определённых аминокислот, для оптимального роста необходимо вводить эти аминокислоты в питательную среду. Аминокислоты нужны не только для синтеза белков; некоторые из них требуются для биосинтеза других азотсодержащих клеточных компонентов. Допустим, наши ауксотрофные мутанты не способны к синтезу Gly, Gln и Asp. Синтез каких азотсодержащих продуктов (помимо белков) будет нарушен у этих мутантов?

22. Как установлено при помощи изотопной метки, источником всех атомов азота гема гемоглобина является глицин. Рассчитайте количество глицина, необходимое для биосинтеза простетической группы гемоглобина, содержащегося в 100 мл крови, если известно, что концентрация пигмента в крови равна 0,077%.

23. Цистеиндесульфгидразная реакция при помощи фермента, выделенного из печени, почек и поджелудочной железы млекопитающих и представляющего собою полифункциональный пиридоксальфосфатпротеид, осуществляется с цистином, цистеином, гомоцистеином и цистатионином. По данным опытов с применением ³⁵S, она выражается в случае цистеина следующим уравнением:

цистеин + Н₂О → пируват + H₂S + NH₃.

Определите количество образовавшихся аммиака и сероводорода, если известно, что распаду подверглось 242 мгцистеина, причём реакция остановилась после выделения сероводорода в количестве, равном 45% от теоретического выхода.

24. Суточная потребность человека в L -триптофане составляет 0,25 г.Рассчитайте количество серотонина, образовавшегося из суточной дозы триптофана у здоровых и страдающих злокачественным новообразованием людей, если установлено, что в первом случае на это расходуется лишь 1% триптофана, содержащегося в пище, а во втором − 60%.

25. Скорость включения аминокислот в альдолазу у животных в 1,8 раза выше, чем при включении в фосфорилазу. Определите, сколько радиоактивного аланина включается в тот и другой фермент через 12 чпосле инъекции, если установлено, что в течение часа в альдолазу включается 12 мкгаланина.

26. В течение часа под действием оксидазы L -аминокислот из яда гремучей змеи 102 мгтриптофана превратилось в соответствующую кетокислоту. Напишите уравнение реакции. Определите количество пировиноградной кислоты, высвобождающейся из аланина, инкубированного с ферментом в течение часа, если известно, что активность L -оксидазы яда гремучей змеи по отношению к аланину в 205 раз ниже, чем для триптофана.

27. Рассчитайте время синтеза одной молекулы гемоглобина (М = 68 000; α-цепь – 141 аминокислотный остаток; β-цепь – 146 аминокислотных остатков) в ретикулоцитах кролика, исходя из допущения, что наращивание полипептидной цепи осуществляется со скоростью 2 аминокислотных остатка в 1 с,а синтез α-и β-цепей идет одновременно.

28. А.В. Погосова и другие исследовали действие 8 Ммочевины на включение ¹⁴С-тирозина и ¹⁴С-метионина в альбумин. Их данные приведены в таблице.

Рассчитайте, на сколько процентов ингибирует или активирует мочевина включение в альбумин: а) метионина; б) тирозина.

29. Хотя HCN высокотоксичен для большинства организмов, многие высшие растения могут использовать HCN (!) в процессах биосинтеза. Предположите, почему растения могут усваивать цианиды. Дайте мотивированный ответ. Предложите пути превращения серина в аспарагиновую кислоту и α,γ-диаминомасляную кислоту. Предложите пути биосинтеза в грибах аланина из ацетальдегида, HCN и аммиака. (Примечание: соответствующей неферментативной реакцией является хорошо известный синтез аминокислот путём реакции Штрекера.)

30. Предложите путь биосинтеза эхимидиновой кислоты, продукта деятельности некоторых растений из семейства Borraginaceae:

31. Что такое азотфиксация? Какие организмы могут усваивать неорганический азот? Какие пути азотфиксации вы знаете? Проследите пути, благодаря которым некоторые бактерии могут превращать: а) N₂ в атом азота Glu и Gln; б) NO₃^- в атом азота Ala; в) азот Gln в азот AMP.

32. В крови человека содержится 160 г гемоглобина на 1 л крови. На 1 мл крови приходится около 5∙10⁹ эритроцитов. Хотя каждый эртроцит имеет форму двояковогнутого диска, для простоты расчёта форму этих клеток можно рассматривать как цилиндры следующих размеров:

Рассчитайте, какое количество гемоглобина (по весу) содержится в одном эритроците. Сколько молекул гемоглобина содержится в одном эритроците? Рассчитайте объём одного эритроцита. Гемоглобин – глобулярный белок, молекула которого имеет диаметр 6,8 нм. Какую долю объёма всех эритроцитов занимает гемоглобин?

33. Некоторое количество (660 мг) олигомерного белка с молекулярной массой 132 000 обработали избытком 2,4-динитрофторбензола в слабощелочной среде вплоть до завершения химической реакции. Затем пептидные связи белка были подвергнуты полному гидролизу путём нагревания белка в присутствии концентрированной HCl. В гидролизате содержалось 5,5 мг ДНФ-производного валина. Никаких других ДНФ-производных обнаружено не было. Напишите уравнение реакции и структурную формулу указанного ДНФ-валина. Объясните, почему эти данные можно использовать для определения числа полипептидных цепей в олигомерном белке. Рассчитайте число полипептидных цепей в этом белке.

34. Ile расщепляется до пропионил-СоА и ацетил-СоА в последовательности реакций, состоящей из шести этапов:

Стратегия химического процесса расщепления изолейцина аналогична стратегии цикла лимонной кислоты. Промежуточные продукты расщепления изолейцина (I-V) показаны ниже не в том порядке, в каком они образуются. Расположите их в надлежащей метаболической последовательности на основании того, что вам известно о цикле лимонной кислоты. Для каждого из этапов распада изолейцина подберите аналогичный пример из цикла лимонной кислоты и укажите необходимые кофакторы.

35. Рассчитайте число нуклеотидных остатков в РНК вируса-сателлита вируса некроза табака и ее молекулярную массу, если известно, что число аминокислотных остатков в белковой субъединице, синтез которой кодируется этой РНК, равно 400.

36. Используя данные о коде белкового синтеза (см. приложение), укажите при помощи буквенных обозначений возможные варианты последовательности нуклеотидных остатков во фрагменте иРНК, ответственном за биосинтез пептидного фрагмента, первичная структура которого соответствует таковой вазопрессина.

37. Предскажите аминокислотную последовательность пептидов, синтезируемых в рибосомах в присутствии следующих матриц, считая, что связывание начинается с первого триплета с левого конца:

а) pGpGpUpCpApGpUpCpGpCpUpCpCpUpGpApUpU;

б) pUpUpGpGpApUpGpCpGpCpCpApUpApApUpUpUpGpCpU;

в) pCpApUpGpApUpGpCpCpUpGpUpUpGpCpUpApC;

г) pApUpGpGpApCpGpApA.

38. Пользуясь буквенными обозначениями, укажите возможную последовательность нуклеотидных остатков в обеих цепях фрагмента молекулы ДНК и во фрагменте молекулы м-РНК, кодирующих биосинтез фрагмента белка с первичной структурой...Ala-Thr-Lys-Asn-Ser... Напишите структурную формулу указанного фрагмента полипептидной цепи и выбранного вами триплета на м-РНК, кодирующего аминокислоту Lys.

39. Если фрагмент молекулы белка имеет структуру...Ser-Ala-Tyr-Leu-Asp..., то какова возможная структура фрагмента м-РНК для него и каков возможный перечень антикодонов т-РНК, участвующих в биосинтезе этого фрагмента белковой молекулы? Напишите структурную формулу указанного фрагмента полипептидной цепи и выбранного вами триплета на м-РНК, кодирующего аминокислоту Leu.

40. Транскрибируемый в процессе биосинтеза м-РНК участок цепи ДНК имеет первичную структуру:

-pdАpdCpdАpdАpТpdАpdАpdАpdАpdGpТpТpdGpdCpdCpdC-.

Как изменится первичная структура фрагмента белка, кодируемого этим фрагментом ДНК, если из указанного участка ДНК выпадет остаток адениловой кислоты, занимающий центральное положение?

41. Фиброин шёлка тутового шелкопряда содержит 43,6% глицина, 29,7% аланина, 16,2% серина и 12,8% тирозина. На основании содержания аминокислот в данном белке И. Сузуки и Д. Браун в 1972 г. рассчитали нуклеотидный состав м-РНК, являющейся матрицей для биосинтеза фиброина. Анализ содержания нуклеотидов в составе выделенной из шёлкоотделительной железы м-РНК, кодирующей биосинтез фиброина, полностью подтвердил предсказанные значения. Исходя из приведенных выше данных по аминокислотному составу фиброина шёлка и пользуясь таблицей кода белкового синтеза (см. приложение 2), вычислите содержание гуанина в м-РНК для биосинтеза фиброина шелка.

42. Данная нуклеотидная последовательность в м-РНК кодирует при строго определённой рамке считывания одну и только одну последовательность аминокислот в полипептиде. Можно ли, исходя из данной последовательности амнокислотных остатков в белке, например в цитохроме с, предсказать нуклеотидную последовательность единственной м-РНК, кодирующей этот белок? Обоснуйте ваш ответ.

43. Напишите все возможные последовательности м-РНК, которые способны кодировать простой трипептид (H)-Leu-Met-Tyr-(OH).

44. Транскрибируемая цепь двухцепочечной ДНК содержит последовательность:

(5’) pdCpTpTpdApdApdCpdApdCpdCpdCpdCpTpdGpdApdCpTpTpdCpdG-

-pdCpdGpdCpdCpdGpTpdCpdG (3’).

а) Какая последовательность м-РНК может транскрибироваться с этой цепи?

б) Какая аминокислотная последовательность могла бы кодироваться этой последовательностью при считывании с 5’-конца?

в) Предположим, что другая цепь этой ДНК тоже транскрибируется, а полученная м-РНК транслируется. Совпадает ли полученная аминокислотная последовательность с последовательностью, которую вы привели в ответе на вопрос б)? Объясните биологическое значение ваших ответов на вопросы б) и в).

45. Метионин – одна из двух аминокислот, которым соответствует всего один кодон (какой?). Этот единственный кодон метионина может кодировать как инициирующий остаток, так и внутренние остатки метионина в полипептидах. Объясните, каким образом это происходит.

46. Большинству аминокислот соответствует больше чем один кодон, больше чем одна т-РНК и больше чем один антикодон. Напишите все возможные антикодоны для четырёх глициновых кодонов: (5’) GGU (3’); (5’) GGC (3’); (5’) GGA (3’); (5’) GGG (3’).

а) На основании вашего ответа скажите, какие из положений антикодона определяют в первую очередь его специфичность в случае глицина?

б) Какие из антикодон-кодоновых пар содержат «качающуюся» пару оснований?

в) В какой из антикодон-кодоновых пар все три пары оснований образованы за счёт прочных уотсоно-криковских водородных связей?

г) Использование какой из антикодон-кодоновых пар в биологическом синтезе белка наименее вероятно. Почему?

47. Очень важные доказательства, подтверждающие правильность расшифрованного генетического кода, были получены при изучении природы мутаций, приводящих к замене одного остатка в аминокислотной последовательности белка. Какая из перечисленных ниже замен одной аминокислоты на другую согласуется с генетическим кодом? Какая из замен не может быть результатом изменения одного-единственного основания в мРНК? Почему?

а) Phe → Leu; б) Lys → Ala; в) Ala → Thr; г) Phe → Lys; д) Ile → Leu; е) His → Glu; ж) Pro → Ser.

48. В гемоглобине серповидных эритроцитов в шестом положении

β-глобиновой цепи вместо Glu (присутствующей в нормальном гемоглобине А) обнаружен Val. Какое изменение, произошедшее в кодоне для Glu, привело к её замене на Val?

49. Фрагмент транскрибируемой цепи вирусной ДНК содержит последовательность:

(5’) CTTACGTACCATAAACGCAACC (3’).

Какая последовательность м-РНК будет ей соответствовать? Какие аминокислотные последовательности могут транскрибироваться с этого участка м-РНК при совмещении рамки считывания: а) с инициирующим кодоном, б) с кодоном-терминатором?

50. Клетки, продуцирующие белок, содержащий фрагмент с последовательностью -Gly-Ser-Val-Ala-Trp-Lys-Asp-Gly-, обработали профлавином:

.

При взаимодействии с ДНК это соединение способно встраиваться (интеркалировать) в двойную спираль между соседними основаниями параллельно им и растягивать спираль, вызывая мутации. В данном случае получили поколение клеток, продуцирующих укороченный неполноценный белок с концевой последовательностью Gly-Ser-Val-Ala. Объясните результат.

51. Определение молекулярной массы фермента фенилаланил-tRNA-синтетазы из Thermus thermophilus проводили двумя методами: гель-фильтрацией на декстриновом геле Sephacryl-S-300 шведской фирмы «Pharmacia» и гель-электрофорезом на полиакриламидном геле в присутствии додецилсульфата натрия. Дайте обстоятельную характеристику указанным методам анализа биополимеров. Молекулярная масса М нативного белка при определении гель-фильтрацией найдена равной 245 000. В денатурирующих условиях при гель-электрофорезе белок разделился на две полосы. Для определения молекулярной массы этих полипептидов в денатурирующих условиях проводили гель-электрофорез калибровочных белков (т.е. белков с известной молекулярной массой). Для всех белков из результатов гель-электрофореза были определены относительные значения R _f электрофоретической подвижности относительно белка химотрипсиногена (белок с наименьшей массой). Для калибровочных белков получены следующие значения R _f:

Примечание: RNA-Pol – РНК-полимераза

Для R _f определяемых белков получены значения 0,49 (α-субъединица) и 0,84 (β-субъединица). Интенсивности окраски полос красителем, используемым для проявления белков, относятся приблизительно 1:2. Постройте калибровочную кривую в координатах lg M –R _f. Определите молекулярную массу неизвестных белков. Что можно сказать о субъединичном составе фенилаланил-tRNA-синтетазы?

52. В лаборатории Ф. Липпмана расшифрован мультиэнзимный механизм биосинтеза пептидов без участия рибосом и м-РНК. Выяснено, что активирование аминокислот при этом на первом этапе приводит к возникновению аминоациладонилата, а на втором – тиоэфиров по HS-группам белков, составляющих мультиэнзимный комплекс. Составьте схему реакции активирования аминокислот при мультиэнзимном механизме биосинтеза белка.

Варианты и номера заданий для домашней работы (3−4) по биологической химии

Поиск по сайту: