Напишите уравнение реакции которое ингибируется малонатом укажите фермент

Уменьшение синтеза АТФ может привести к гибели клетки, так как у клетки не будет необходимого количества энергии.

а) Назовите кофермент в состав которого входит витамин В₁ и ферменты, для функционирования которых требуется этот кофермент;

б) Напишите процесс, в котором участвуют эти ферменты, и объясните, как изменится скорость процесса при недостатке В₁.
а) Кофермент: ТДФ – дифосфорный эфир тиомина.

Ферменты: пируват- и α-кетоглутаратдегидрогензные комплексы, транскетолаза.

б) Пируват- и α-кетоглутаратдегидрогензные комплексы – окислительное декарбоксилирование пирувата и α-кетоглутарата. Транскетолаза – Пентозофосфатный путь превращения углеводов.

При недостатке витамина скорость этих процессов уменьшается.

Окислительное декарбоксилирование пирувата.

Превращение Пирувата в Ацетил-КоА включает 5 стадий.

Стадия 1. На этой стадии пируват соединяется с ТДФ в составе E1 и подвергается окислительному декарбоксилированию.

Пируват + E1-ТДФ → Гидроксиэтил-ТДФ + CO2. В результате этой реакции образуется производное ТДФ с гидроксиэтильной группой при тиазоловом кольце.

Стадия 2. Дигидролипоилтрансацетилаза (E2) ка­тализирует перенос атома водорода и ацетильной группы от ТДФ на окисленную форму липоиллизиновых групп с образованием ацетилтиоэфира липоевой кислоты. Стадия 3. На стадии 3 КоА взаимодействует с ацетильным производным E2, в результате чего образуются ацетил-КоА и полностью восстановленный липоильный остаток, простетическая группа Е2.

Стадия 4. На стадии 4 дигидролипоилдегидрогеназа (Е3) катализирует перенос атомов водорода от восстановленных липоильных групп на FAD – простетическую группу фермента Е3.

Стадия 5. На стадии 5 восстановленный FADH, передаёт водород на NAD + с обра­зованием NADH.

Биологическая роль витамина В, определяет­ся тем, что в виде ТДФ он входит в состав как минимум трёх ферментов и фермент­ных комплексов: в составе пируват- и а-кетоглутаратдегидрогеназных комплексов он участвует в окислительном декарбокси-лировании пирувата и а-кетоглутарата; в составе транскетолазы ТДФ участвует впентозофосфатном пути превращения уг­леводов.

Основной, наиболее характерный и специ­фический признак недостаточности вита­мина В , — полиневрит, в основе которого лежат дегенеративные изменения нервов. Вначале развивается болезненность вдоль нервных стволов, затем — потеря кожной чувствительности и наступает паралич (бери-бери).

Окислительное декарбоксилирование пирувата.

Превращение Пирувата в Ацетил-КоА включает 5 стадий.

Стадия 1. На этой стадии пируват соединяется с ТДФ в составе E1 и подвергается окислительному декарбоксилированию.

Пируват + E1-ТДФ → Гидроксиэтил-ТДФ + CO2. В результате этой реакции образуется производное ТДФ с гидроксиэтильной группой при тиазоловом кольце.

Стадия 2. Дигидролипоилтрансацетилаза (E2) ка­тализирует перенос атома водорода и ацетильной группы от ТДФ на окисленную форму липоиллизиновых групп с образованием ацетилтиоэфира липоевой кислоты. Стадия 3. На стадии 3 КоА взаимодействует с ацетильным производным E2, в результате чего образуются ацетил-КоА и полностью восстановленный липоильный остаток, простетическая группа Е2.

Стадия 4. На стадии 4 дигидролипоилдегидрогеназа (Е3) катализирует перенос атомов водорода от восстановленных липоильных групп на FAD – простетическую группу фермента Е3.

Стадия 5. На стадии 5 восстановленный FADH, передаёт водород на NAD + с обра­зованием NADH.

Цикл лимонной кислоты — один из амфиболических путей метаболизма. В нём осуществ­ляются не только окислительные превращения энергетических субстратов до конечных продуктов СО₂ и Н₂О, но и происходит образование субстратов для других метаболических путей.

Некоторые промежуточные продукты цикла лимонной кислоты: α-кетоглутарат, сукцинат, оксалоацетат могут использоваться для синтеза заменимых аминокислот.

Восполнение утечки метаболитов.

Убыль промежуточных продуктов цикла вос­полняется в реакциях, катализируемых специ­фическими ферментами. В нормальных усло­виях реакции, отвлекающие промежуточные продукты из цикла и восполняющие их убыль, находятся в состоянии динамического равно­весия, так что концентрация этих продуктов в митохондриях остаётся постоянной.

Реакции, обеспечивающие пополнение фон­да промежуточных продуктов ЦТК, называются анаплеротическими (пополняющими). Важней­шая из них — реакция синтеза оксалоацетата из пирувата. Эту реакцию катализирует митохондриальный фермент — пируваткарбоксилаза.

Пируваткарбоксилаза — регуляторный фер­мент. Если концентрация ацетил-КоА увеличи­вается, то он действует как аллостерический активатор пируваткарбоксилазы, ускоряя обра­зование оксалоацетата. Таким образом, избы­ток ацетил-КоА способствует активации цитратного цикла.

Пируваткарбоксилаза катализирует превращение пирувата в оксалоацетат для глюконеогенеза. А если не будет аксалоацетата, то не будет глюконеогенеза. А из-за этого в результате может быть гипогликемия натощак.

а) Назовите вещество, которое накапливается, напишите схему процесса, в котором это соединение является промежуточным продуктом;

б) Объясните, почему прекращается поглощение О₂;

в) Укажите, каким способом можно снять вызванное малонатом ингибирование.
а) Оксалоацетат

Снижается, потому что доноры водорода образуются только в одной реакции ЦТК: окисления малата в оксалоацетат. Все остальные донорные реакции не идут, потому что в среде нет пирувата.

в) Закладка»>Нужно связать оксалоацетат, добавив пируват или ацетил-КоА

а) Укажите, предшественником какого кофермента является витамин В₅, в каких процессах он участвует;

б) Приведите схему метаболического пути, протекающего в мышцах при выполнении физической нагрузки и укажите реакцию, в которой участвует этот кофермент;

в) Перечислите другие возможные причины гипоэнергетических состояний.
а) Кофермент HSKoA.

Пантотеновая кислота используется в клетках для синтеза коферментов: 4-фосфапантотеина и КоА. 4-фосфапантотеин – кофермент пальмитоилсинтазы. КоА участвует в переносе ацильных радикалов в реакциях общего пути катаболизма, активации жирных кислот, синтеза холестерина и кетоновых тел, синтеза ацетилглюкозаминов, обезвреживания чужеродных веществ в печени.

Пантотеновая кислота является ферментом в пируватдегидрогеназном комплексе и α-кетоглутаратдегидрогеназном комплексе.

Реакция, которая написана перед окислением и та, в которой ферментом является β-кетоацил-КоА-тиолаза.

в) Голодание, гиповитаминозы B₁, PP, B₂; гипоксия.

а) Напишите схему метаболического пути, конечным продуктом которого является лактат;

б) Объясните, как и почему активность этого метаболического пути будет отличаться у тренированных людей и не тренированных.
а)

б) У нетренированных людей лактоацидоз возникает при физической работе как следствие относительного недостатка кислорода в мышцах и развивается достаточно быстро. Компенсация осуществляется путём гипервентиляции. У тренированных людей много кислорода запасено в миоглобине. Гипоксия мышцы развивается позже или при бОльших нагрузках. Большое количество митохондрий обеспечивает быстрое и высокоэффективное аэробное окисление требуемого количества энергоносителей.

При полимеризации глюкозы снижается растворимость образующейся молекулы гликогена и, следовательно, её влияние на осмотическое давление в клетке. Это объясняет , почему в клетке депонируется гликоген, а не свободная глюкоза.

Разветвлённая структура гликогена обуславливает большое количество концевых мономеров, что способствует работе ферментов, отщепляющих или присоединяющих мономеры при распаде или синтезе гликогена, так как эти ферменты могут одновременно работать на нескольких ветвях молекулы.

2. Гликоген синтезируется в период пищеварения (через 1-2 часа после приёма углеводной пищи). Гликоген депонируется в печени и мышцах. Распад его происходит в ответ на повышение потребности организма в глюкозе.

а) Напишите схему метаболического пути, активность которого снижена у больного, на схеме укажите место ферментного «блока», укажите фермент;

б) Укажите, в какие метаболические пути включается «конечный» продукт этого процесса;

в) Объясните происхождение лактата, концентрация которого повышена в крови больного.
а) Распад гликогена

Глюкоза-6-фосфат не переходит в глюкозу из-за дефекта фермента глюкозо-6-фосфатазы

б), в) Из-за увеличения содержания в клетках глюкозо-6-фосфата возрастает его использование в пентофосфатном пути с образованием рибозо-5-фосфата, который является субстратом для синтеза пуриновых нуклеотидов. Их образуется и разрушается больше, в связи с этим увеличивается концентрация мочевой кислоты, как продукта распада нуклеотидов.

Увеличение содержания в клетках глюкозо-6-фосфата приводит к его избыточному превращению в пируват и лактат. Накопление лактата приводит к лактоацидозу. Ацидоз в свою очередь приводит к снижению pH мочи, что также затрудняет выведение мочевой кислоты и уратов.

а) Укажите роль тиамина в метаболизме, приведите примеры реакций, в которых он участвует;

б) Объясните, какая органическая кислота накапливается в мышцах в этих условиях и напишите схему метаболического пути, активация которого приводит к ее накоплению.
а) Тиамин входит в состав ферментных комплексов. Он участвует в окислительном декарбоксилировании пирувата и α-кетоглутарата, а в составе ТДФ участвкет в пентозофосфатном пути превращения углеводов.

Пируват + NAD + + HSKoA → Ацетил-КоА + NADH+H + + CO₂

б) Кислота – лактат.

Анаэробный распад глюкозы

А если недостаточность тиамина:

Ситуационные задачи 1000 (стр. 23 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45

Для выполнения расчетов:

1. Приведите схему окисления пирувата до СО2 и Н2О.

2. Укажите, как изменится энергетический выход при окислении пирувата в присутствии ротенона и 2,4- динитрофенола (полное разобщение).

Ответ:5 Пируват → 5 Ацетил-КоА → СО2 + Н2О + 75АТФ. В присутствии ротенона синтезируется 15АТФ. В присутствии 2,4- динитрофенола (полное разобщение) – 5 АТФ (только за счет субстратного фосфорилирования).

488. Сколько молекул АТФ синтезируется при окислении одной молекулы пирувата до 2-оксоглутарата; одной молекулы изоцитрата до сукцината; одной молекулы сукцината до оксалоацетатапри условии, что дегидрогеназные реакции сопряжены с дыхательной цепью?

1. Напишите ход реакций на указанных участках цикла Кребса.

2. Укажите реакции, сопряженные с дыхательной цепью.

3. Вспомните, сколько АТФ образуется при окислении НАДН и ФАДН2.

Ответ:В 1-ом случае синтезируется 6 молекул АТФ;во 2-ом — 7 молекул АТФ; в 3-ем — 5 АТФ.

489. Ротенон (токсичное вещество, вырабатываемое одним из видов растений) резко подавляет активность митохондриальной НАДН-дегидрогеназы. Токсичный антибиотик антимицин сильно ингибирует окисление убихинола. Допустим, что оба эти вещества блокируют соответствующие участки дыхательной цепи с равной эффективностью. Какой из них будет при этом более мощным ядом? Дайте аргументированный ответ.

Для обоснования ответа вспомните:

1. Что такое блокаторы дыхательной цепи?

2. На каких участках дыхательной цепи поступает водород от НАДН и ФАДН2?

Ответ:Более мощным ядом будет антимицин, так как он блокирует поступление водорода на участке от убихинола, а значит водород не поступает не только от ФАД-зависимых дегидрогеназ, но и от НАДН-дегидрогеназы.

490. К препарату изолированных митохондрий добавили амитал. Отразится ли это на потреблении кислорода?

Для обоснования ответа вспомните:

1. Как действует амитал на дыхательную цепь?

2. На каком участке дыхательной цепи он проявляет своё действие?

Ответ:Потребление кислорода снизится, так как блокируется убихинолдегидрогеназа.

491. 2,4-ДНФ (сильный разобщающий агент) пытались одно время использовать для борьбы с ожирением. Теперь такого рода разобщающие агенты уже не применяются в качестве лекарственных препаратов, поскольку известны случаи, когда их применение приводило к летальному исходу. На чем могло быть основано такое использование2,4-ДНФ? Почему прием разобщающих агентов может вызвать смерть?

Для обоснования ответа вспомните:

1. Что такое разобщители?

2. На чём основано действие 2,4-ДНФ?

3. Изменится ли скорость окисления в дыхательной цепи в присутствии 2,4-ДНФ?

Ответ:Разобщители повышают потребление кислорода и скорость переноса электронов по дыхательной цепи, но разобщают окисление и фосфорилирование. В результате образование АТФ резко снижается, что может вызвать смерть.

492. Некоторые бактерии, дрожжи, паразитирующие черви не нуждаются в кислороде. Какой из двух способов образования АТФ используется у этих организмов для аккумуляции энергии?

Для ответа вспомните:

1. Что такое фосфорилирование?

2. Что такое субстратное и окислительное фосфорилирование?

3. Чем эти виды фосфорилирования отличаются друг от друга?

Ответ:Для аккумуляции энергии у данных организмов используется субстратное фосфорилирование.

493. Добавление к митохондриям олигомицина вызывает снижение как переноса электронов от НАДН к О2, так и скорости образования АТФ. Последующее добавление 2,4-ДНФ приводит к увеличению скорости переноса электронов без сопутствующего изменения скорости синтеза АТФ. Какую реакцию ингибирует олигомицин?

Для ответа вспомните:

1. Чем является 2,4-ДНФ для дыхательной цепи?

2. Чем действие блокаторов отличается от действия разобщителей?

Ответ:Олигомицин блокирует протонную АТФ-синтетазу, поэтому синтеза АТФ не происходит.

494. Немедленное введение метиленовой сини оказывает очень эффективное лечебное действие при отравлении цианидами. Какова основа её противотоксического действия, если учесть, что метиленовая синь способна окислять часть гемоглобина (Fe2+) крови в метгемоглобин (Fe3+)?

Для ответа вспомните:

1. В чём сходство простетических групп цитохромов и гемоглобина?

2. С железом какой валентности связываются цианиды?

Ответ:После того, как метиленовая синь переводит часть гемоглобина в метгемоглобин, цианиды получают возможность связываться не с цитохромом а3 клеток, а с метгемоглобином в эритроцитах, который содержит необходимое для связывания трехвалентное железо.

495. В инкубационную среду с изолированными митохондриями добавили АДФ. Как это повлияет на способность митохондрий поглощать кислород?

Для обоснования ответа:

1. Напишите схему цикла Кребса и дыхательной цепи.

2. Вспомните, что такое дыхательный контроль?

Ответ:Скорость поглощения кислорода митохондриями увеличится, так как АДФ является активатором работы дыхательной цепи.

496. В инкубационную смесь внесены митохондрии, избыток субстрата и ограниченное количество АДФ. Как будет изменяться со временем скорость поглощения кислорода и почему?

Для обоснования ответа:

1. Напишите схему цикла Кребса и дыхательной цепи.

2. Вспомните, что такое дыхательный контроль?

Ответ:Сначала скорость поглощения кислорода увеличится, а со временем снизится, так как АДФ в ходе реакции превращается в АТФ.

497. При добавлении к суспензии митохондрий изоцитрата скорость поглощения кислорода увеличивается. При добавлении малоната — снижается. Почему прекращается потребление кислорода?

1. Напишите реакцию, которая активируется изоцитратом.

1. Укажите, какой промежуточный метаболит цикла Кребса накапливается при добавлении малоната и почему?

2. Каким образом можно восстановить скорость дыхания?

Ответ:Малонат является конкурентным ингибитором сукцинатдегидрогеназы, поэтому работа цикла Кребса затормозится. Восстановленные коферменты не поступают в дыхательную цепь, и потребление кислорода снижается.

498. В эксперименте к изолированным митохондриям добавили малат. Чему равен коэффициент Р/О для малата?

Для обоснования ответа:

1. Вспомните, что такое коэффициент Р/О?

2. Напишите реакцию окисления малата и укажите фермент.

Ответ:Коэффициент фосфорилирования ( Р/О) для малата равен 3, так как малатдегидрогеназа является НАД-зависимым ферментом.

499. В эксперименте к изолированным митохондриям добавили сукцинат. Чему равен коэффициент Р/О для сукцината?

Для обоснования ответа:

1. Вспомните, что такое коэффициент Р/О?

2. Напишите реакцию окисления сукцината и укажите фермент.

Ответ:Коэффициент фосфорилирования ( Р/О) для сукцината равен 2, так как сукцинатдегидрогеназа является ФАД-зависимым ферментом.

500. К суспензии митохондрий с цитратом добавили амитал. Как изменится коэффициент Р/О?

Для обоснования ответа:

1. Вспомните, что такое коэффициент Р/О?

2. Чему равен Р/О для изоцитрата?

3. Как влияет амитал на работу дыхательной цепи?

Ответ:Коэффициент фосфорилирования ( Р/О) будет меньше 3, так как амитал является блокатором дыхательной цепи. Перенос электронов с изоцитрата будет заблокирован.

501. Митохондрии бурого жира постоянно находятся в разобщенном состоянии. В чем биологический смысл данного феномена?

1.Чем обусловлен бурый цвет ткани?

2. Почему эта ткань в заметных количествах присутствует у новорожденных, а у взрослых сохраняется в следовых количествах?

Ответ:Бурый жир выполняет термогенную функцию, что особенно важно для новорожденных, так как у них не сформирована система терморегуляции. Бурый цвет ткани обусловлен большим количеством цитохромов.

502. Животному внутривенно ввели стерильный раствор сахарозы. Появится ли сахароза в моче?

Для ответа вспомните:

1. Что такое сахароза?

2. Каким превращениям в организме она подвергается?

Ответ:Появится, так как в тканях нет фермента, расщепляющего сахарозу, и она будет выведена из организма с мочой.

503. Употребление в пищу кондитерских изделий, конфет вызывает у ребенка рвоту, понос. Он плохо переносит и сладкий чай, тогда как молоко не вызывает отрицательных реакций. Выскажите предположение о молекулярном дефекте.

Для обоснования ответа вспомните:

1. Какой дисахарид содержится в кондитерских изделиях, а какой — в молоке?

2. Что такое энзимопатия?

3. Какие виды энзимопатий вы знаете?

Ответ:Можно предположить дисахаридоз, вызванный отсутствием сахаразы. Возможной причиной перечисленных симптомов также может быть наследственная непереносимость фруктозы (дефект альдолазы фруктозо-1-фосфата).

504. У некоторых людей прием молока вызывает расстройство кишечника, а прием простокваши — нет. Почему это происходит?

Для обоснования ответа вспомните:

1. Чем отличаются по составу молоко и простокваша?

2. Какой углевод содержится в молоке?

3. Что может быть причиной кишечных расстройств в данном случае?

Ответ:У людей с недостаточностью лактазы в кишечном соке лактоза молока становится питательной средой для кишечных бактерий. В простокваше лактоза отсутствует, так как она расщепляется микроорганизмами.

505. Больной страдает от судорог в мышцах при напряженной физической работе, но в остальном чувствует себя здоровым. Биопсия мышечной ткани выявила, что концентрация гликогена в мышцах этого больного гораздо выше нормы. Почему накапливается гликоген? Ваши рекомендации такому человеку.

1. Напишите схему обмена гликогена.

2. Укажите, какой из процессов обмена гликогена нарушен у данного больного?

3. Что такое энзимопатии?

Ответ:У больного мышечная форма гликогеноза (возможна болезнь Мак-Ардла). Рекомендации: режим работы и отдыха, избегать напряженной физической работы; прием пищи частый, небольшими порциями.

506. Клинические симптомы двух форм галактоземии, одна из которых обусловленанедостаточностью галактокиназы, а другая — галактозо-1-фосфат-уридилтрансферазы, резко различаются по своей тяжести. И в том, и в другом случае молоко вызывает у больных кишечные расстройства, но при недостаточности галактозо-1-фосфат-уридилтрансферазы нарушаются функции печени, почек, селезенки и мозга, а затем наступает смерть. Какие продукты накапливаются в крови и тканях при недостаточности каждого из двух ферментов? Оцените сравнительную токсичность этих продуктов на основе приведенных выше данных.

ОСНОВЫ БИОХИМИИ ЛЕНИНДЖЕРА — ТОМ 2. БИОЭНЕРГЕТИКА И МЕТАБОЛИЗМ — 2014

ЧАСТЬ II. БИОЭНЕРГЕТИКА И МЕТАБОЛИЗМ

16. ЦИКЛ ЛИМОННОЙ КИСЛОТЫ

Вопросы и задачи

1. Баланс цикла лимонной кислоты.

В цикле лимонной кислоты принимают участие восемь ферментов: цитратсинтаза, аконитаза, изоцитратдегидрогеназа, α-кетоглутаратдегидрогеназа, сукцинил-СоА-синтетаза, сукцинатдегидрогеназа, фумараза и малатдегидрогеназа.

а) Напишите уравнение реакции, катализируемой каждым ферментом.

б) Назовите кофакторы, необходимые для действия каждого фермента.

в) Для каждого фермента укажите, к какому типу относится катализируемая им реакция: конденсация (образование связи углерод-углерод), дегидратация (отщепление воды), гидратация (присоединение воды), декарбоксилирование (отщепление СО₂), окислительно-восстановительная реакция, фосфорилирование на уровне субстрата или изомеризация.

г) Напишите суммарное уравнение для превращения ацетил-Со А в СО₂.

2. Суммарные уравнения гликолиза и цикла лимонной кислоты.

Напишите полные биохимические уравнения для метаболизма глюкозы при гликолизе, а также для цикла лимонной кислоты с учетом всех кофакторов.

3. Распознавание окислительно-восстановительных реакций в процессах метаболизма.

Биохимическая стратегия многих живых организмов состоит в постепенном окислении органических веществ до СО₂ и Н₂О и в сохранении большей части образующейся при этих процессах энергии в форме АТР. Важно уметь распознавать окислительно-восстановительные стадии метаболизма. Восстановление органической молекулы происходит в результате гидрирования по двойной связи (уравнение 1) или по простой связи с ее расщеплением (уравнение 2). Напротив, окисление является результатом дегидратации. В биохимических окислительно-восстановительных реакциях (ОВР) функцию гидрирования/дегидрирования осуществляют коферменты NAD и FAD в присутствии соответствующих ферментов.

Для каждого из перечисленных ниже превращений укажите, происходит ли окисление или восстановление. Напишите для каждой ОВР уравнение баланса, добавив Н-Н, а где необходимо Н₂О.

4. Взаимосвязь между энергетическим выходом реакции и степенью окисления углерода.

Эукариотическая клетка способна использовать для клеточного дыхания глюкозу С₆Н₁₂О₆ и гексановую (капроновую) кислоту С₆Н₁₄О₂. Пользуясь структурными формулами этих веществ укажите, для какого из них при полном окислении (до СО₂ и Н₂О) выделяется больше энергии в пересчете на 1 г.

5. Никотинамидные коферменты как переносчики водорода в окислительно-восстановительных реакциях.

В присутствии соответствующей дегидрогеназы никотинамидные коферменты (см. рис. 13-24) могут участвовать в обратимых окислительно-восстановительных реакциях со специфическими субстратами. В таких реакциях NАDН + Н + служат источником водорода (см. задачу 2). Если кофермент окисляется, субстрат обязательно восстанавливается:

Для каждой из приведенных ниже реакций определите, окислился субстрат, восстановился или его состояние окисления не изменилось (см. задачу 2). Если состояние окисления субстрата изменилось, напишите уравнение, добавив необходимые количества NАD + , NАDН, Н + и Н₂O. Цель этого упражнения заключается в определении, в каких реакциях должен принимать участие окислительно-восстановительный кофермент.

6. Кофакторы и механизм реакции, катализируемой пируватдегидрогеназой.

Опишите роль каждого кофактора, участвующего в реакции, катализируемой пируватдегидрогеназным комплексом.

7. Дефицит тиамина в организме.

У человека, получающего с пищей недостаточное количество тиамина, определяется высокий уровень пирувата в крови. Объясните причину.

8. Реакция, катализируемая изоцитратдегидрогеназой.

Какой тип химической реакции происходит при превращении изоцитрата в α-кетоглутарат? Назовите все кофакторы, задействованные в этой реакции, и объясните их роль. Какие (или какая) еще реакции в цикле лимонной кислоты относятся к тому же типу?

9. Стимуляция потребления кислорода оксалоацетатом и малатом.

В начале 1930-х гг. Альберт Сент-Дьерди сообщил об интересном наблюдении: добавление небольшого количества оксалоацетата или малата к суспензии измельченной грудной мышцы голубя усиливало потребление кислорода препаратом. Удивительно, что количество потребляемого кислорода был в 7 раз выше необходимо для полного окисления добавленного оксалоацетата или малата (до СO₂ и Н₂O). Почему добавление оксалоацетата и малата стимулирует потребление кислорода? Почему количество потребляемого кислорода во много раз превышает необходимое для полного окисления добавленного оксалоацетата или малата?

10. Образование оксалоацетата в митохондриях.

На последней стадии цикла лимонной кислоты происходит дегидрирование малата, в результате чего вновь образуется оксалоацетат, необходимый для включения в цикл новой молекулы ацетил-СоА:

L-Малат + NАD + —> оксалоацетат + NАDН + Н +

а) Определите константу равновесия реакции при 25 °С.

б) Поскольку ∆G′° соответствует стандартному значению при pH 7, константа равновесия (пункт а) определяется формулой:

Как показывают измерения, концентрация L-малата в митохондриях печени крыс составляет -0,2 мМ, а [NАD + ]/[NАDН] = 10. Определите концентрацию оксалоацетата в митохондриях печени крысы при pH 7.

в) Для оценки концентрации оксалоацетата в митохондриях рассчитайте число молекул оксалоацетата в одной митохондрии. Пусть митохондрия — сферическая частица диаметром 2 мкм.

11. Кофакторы в цикле лимонной кислоты.

Предположим, приготовлен экстракт митохондрий, содержащий все растворимые ферменты матрикса, но при проведении диализа потеряны все низкомолекулярные кофакторы. Что нужно добавить в экстракт, чтобы там осуществлялось превращение ацетил-СоА в СO₂?

12. Дефицит рибофлавина в организме.

Как недостаточность рибофлавина повлияет на функционирование цикла лимонной кислоты? Поясните ответ.

13. Содержание оксалоацетата.

Какие факторы могут снизить количество оксалоацетата, поступающего в цикл лимонной кислоты? Каким образом можно пополнить количество оксалоацетата?

14. Выход энергии в цикле лимонной кислоты.

Реакция, катализируемая сукцинил-СоА-синтетазой, приводит к образованию богатого энергией соединения GTP. Как свободная энергия, запасенная в GTP, «объединяется» с энергетическими запасами клетки, заключенными в АТР?

15. Изучение процесса клеточного дыхания в изолированных митохондриях.

Клеточное дыхание можно изучать на выделенных митохондриях путем измерений количества потребляемого кислорода при различных условиях. Если к активно дышащим митохондриям, использующим в качестве источника энергии пируват, добавить 0,01 М раствор малоната натрия, дыхание быстро прекращается и начинает накапливаться один из интермедиатов метаболизма.

а) Какое строение имеет этот интермедиат?

б) Объясните, почему он накапливается.

в) Объясните, почему прекращается потребление кислорода.

г) Кроме непосредственного удаления малоната, каким еще способом можно снять вызванное им ингибирование? Объясните ответ.

16. Эксперименты с мечеными соединениями на изолированных митохондриях.

Метаболические пути превращения органических соединений часто изучают, используя меченные радиоактивной меткой субстраты и прослеживая судьбу метки.

а) Как проверить, что глюкоза, добавляемая к суспензии изолированных митохондрий, превращается в СO₂ и Н₂O?

б) К митохондриям импульсно добавили [3- 14 С] пируват (меченный по метальной группе). Какое положение займет меченый углерод после одного оборота цикла лимонной кислоты? Объясните ответ, проследив путь метки на всем протяжении цикла. Через сколько оборотов цикла весь меченый пируват будет выведен в виде СO₂?

17. Судьба СO₂ в процессе глюконеогенеза.

На первом обходном пути глюконеогенеза — превращении пирувата в фосфоенолпируват (ФЕП) — пируват карбоксилируется с помощью пируваткарбоксилазы, образуя оксалоацетат, который далее декарбоксилируется до ФЕП под действием ФЕП-карбоксикиназы (гл. 14). Поскольку сразу за присоединением С0₂ происходит его отщепление, можно было бы ожидать, что 14 С из 14 СO₂ не включается в ФЕП, глюкозу и другие интермедиаты глюконеогенеза. Однако выяснилось, что при синтезе глюкозы в присутствии 14 СO₂ в печени крысы 14 С постепенно появляется в ФЕП, а затем в положениях С-3 и С-4 в молекуле глюкозы. Каким образом метка 14 С попадает в ФЕП и в глюкозу? (Подсказка. При глюконеогенезе в присутствии 14 СO₂ некоторые из четырехуглеродных интермедиатов цикла лимонной кислоты также получают метку.)

18. Катаболизм [1- 14 С] глюкозы. Активно дышащую бактериальную культуру короткое время инкубировали с [3- 14 С] глюкозой, а затем выделили из нее интермедиаты цикла лимонной кислоты и гликолиза. Укажите положение метки в перечисленных ниже соединениях. Учитывайте при этом только ту метку, которая включается при первом прохождении меченой глюкозы через метаболические пути.

19. Роль тиамина в организме.

При заболевании бери-бери, вызванном дефицитом тиамина, в крови пациентов наблюдается повышенное содержание пирувата и α-кетоглутарата, особенно после употребления богатой глюкозой пищи. Как это связано с дефицитом тиамина?

20. Синтез оксалоацетата в цикле лимонной кислоты.

Оксалоацетат образуется на последней стадии цикла лимонной кислоты при NАD + — зависимом окислении L-малата. Возможен ли синтез оксалоацетата из ацетил-СоА только под действием ферментов и кофакторов цикла лимонной кислоты без затрат интермедиатов цикла? Объясните ответ. Как пополняются запасы оксалоацетата, выведенного из цикла для осуществления реакций биосинтеза?

21. Истощение (исчерпание) запасов оксалоацетата.

В печени млекопитающих в качестве исходного материала для глюконеогенеза может использоваться оксалоацетат (гл. 14). Повлияет ли интенсивное использование оксалоацетата для глюконеогенеза на протекание цикла лимонной кислоты? Объясните ответ.

22. Механизм действия фторацетата, применяемого как средство против грызунов.

Фторацетат используется для борьбы грызунами и поэтому производится промышленностью; это соединение содержится также в природе в одном из южноафриканских растений. Попадая в клетку, фторацетат превращается в фторацетил-СоА в реакции, катализируемой ацетаттиокиназой:

Токсическое действие фторацетата было изучено на изолированном сердце крыс. После перфузии сердца 0,22 мМ раствором фторацетата уменьшилось поглощение глюкозы, снизилась скорость гликолиза и стали накапливаться глюкозо-6- фосфат и фруктозо-6-фосфат. Определение интермедиатов цикла лимонной кислоты показало, что их концентрации были ниже нормы и лишь концентрация цитрата превышала норму в 10 раз.

а) На какой стадии происходит остановка цикла лимонной кислоты? Почему накапливается цитрат, а запасы других интермедиатов цикла истощаются?

б) В цикле лимонной кислоты фторацетил- СоА подвергается ферментативным превращениям. Какова структура конечного продукта метаболизма фторацетата? Почему он блокирует цикл лимонной кислоты? Каким образом можно снять это ингибирование?

в) Почему после перфузии сердца потребление глюкозы и гликолиз ослабевали? Почему накапливались гексозомонофосфаты?

г) Почему отравление фторацетатом смертельно?

23. Образование L-малата в виноделии.

Терпкий вкус некоторых вин связан с высокой концентрацией в них L-малата. Напишите последовательность реакций, в результате которых дрожжи образуют L-малат из глюкозы в анаэробных условиях в присутствии растворенного СO₂ (НСO₃). Обратите внимание, что в суммарной реакции брожения не должно происходить расходования никотинамидных коферментов или интермедиатов цикла лимонной кислоты.

24. Синтез α-кетоглутарата.

α-Кетоглутарат играет очень важную роль в биосинтезе некоторых аминокислот. Напишите последовательность ферментативных реакций, в результате которых из пирувата образуется α-кетоглутарат. В предложенной цепочке реакций не должно происходить суммарного потребления интермедиатов цикла лимонной кислоты. Напишите уравнение суммарной реакции и укажите источник каждого из реагирующих веществ.

25. Амфиболические пути.

Объясните на примерах, что означает утверждение, что цикл лимонной кислоты является амфиболическим путем.

26. Регуляция активности пируватдегидрогеназного комплекса.

В тканях животных скорость превращения пирувата в ацетил-СоА регулируется соотношением между активным (фосфорилированным) и неактивным (нефосфо-

рилированным) ПДГ-комплексами. Как влияет на скорость данной реакции обработка препарата митохондрий из мышц кролика, содержащего ПДГ-комплекс, (а) киназой пируватдегидрогеназы, АТР и NADH; (б) фосфатазой пируватдеги- дрогеназы и Са 2+ ; (в) малонатом.

27. Промышленный синтез лимонной кислоты.

Лимонная кислота используется для придания вкуса безалкогольным напиткам и многим другим продуктам питания. Мировой рынок производства лимонной кислоты оценивается в сотни миллионов долларов в год. Для промышленного производства используют плесневый гриб Aspergillus niger, который выращивают на сахарозе в строго контролируемых условиях.

а) Выход лимонной кислоты сильно зависит от концентрации FeCl₃ в питательной среде (см. график). Почему выход лимонной кислоты снижается при концентрации Fe 3+ выше или ниже оптимального ее значения в 0,5 мг/л?

б) Предложите последовательность реакций, в соответствии с которой A. niger продуцирует лимонную кислоту из сахарозы. Напишите уравнение суммарной реакции.

в) Нужно ли проводить аэрацию питательной среды при культивировании гриба, т. е. является ли данный процесс аэробным или анаэробным? Объясните ответ.

28. Регуляция активности цитратсинтазы.

В присутствии насыщающей концентрации оксалоацетата зависимость активности цитратсинтазы из ткани сердца свиньи от концентрации ацетил- СоА описывается S-образной (см. график). При добавлении сукцинил-СоА кривая сдвигается вправо, а S-образная форма зависимости становится более выраженной.

На основании этих наблюдений предположите, каким образом сукцинил-СоА регулирует активность цитратсинтазы. (Подсказка. См. рис. 6-29, т. 1.) Почему сукцинил-СоА является подходящим сигналом для регуляции цикла лимонной кислоты? Каким образом регуляция цитратсинтазы контролирует скорость клеточного дыхания в ткани сердца свиньи?

29. Регуляция пируваткарбоксилазы.

Карбоксилирование пирувата под действием фермента пируваткарбоксилазы без аллостерического активатора ацетил-СоА происходит с очень низкой скоростью. Объясните, каким образом эта особенность регуляции связана с тем, что после приема пищи, богатой жирными кислотами (триацилглицеринами) и бедной углеводами (глюкозой), ослабевает процесс окисления глюкозы до СO₂ и Н₂O, но усиливается окисление ацетил-СоА, образующегося из жирных кислот.

30. Связь между клеточным дыханием и циклом лимонной кислоты.

Хотя кислород непосредственно не участвует в цикле лимонной кислоты, цикл осуществляется только в присутствии кислорода. Почему?

31. Влияние отношения [NАDН]/NАD+] на цикл лимонной кислоты.

Каким образом цикл лимонной кислоты отреагирует на быстрое увеличение отношения [NАDН]/[NАD + ] в митохондриальном матриксе? Объясните ответ.

32. Термодинамика цитратсинтазной реакции в клетках.

Цитрат образуется при конденсации ацетил-СоА с оксалоацетатом, катализируемой цитратсинтазой:

Оксалоацетат + ацетил-СоА + Н₂O —> цитрат + СоА + Н +

В митохондриях сердца крысы при pH 7,0 и 25 °С были определены концентрации реагирующих веществ и продуктов реакции (мкМ): оксалоацетат 1, ацетил-СоА 1, цитрат 220, СоА 65. Изменение стандартной свободной энергии для этой реакции составляет -32,2 кДж/моль. Каково направление потока метаболитов в данной реакции в клетках сердца крысы? Объясните ответ.

33. Реакции пируватдегидрогеназного комплекса.

Две стадии окислительного декарбоксилирования пирувата (стадии (4) и (5) на рис. 16-6) не затрагивают ни одного из трех атомов углерода в молекуле пирувата, но они важны для функционирования ПДГ-комплекса. Объясните этот факт.

34. Мутации в цикле лимонной кислоты.

Многие заболевания человека связаны с потерей той или иной ферментативной активности в результате генетической мутации. Однако случаи потери активности какого-либо фермента, участвующего в цикле лимонной кислоты, встречаются чрезвычайно редко. Как это объяснить?

35. Цикл лимонной кислоты и глиоксилатный цикл.

В организмах (например, Е. coli), в которых реализуется как цикл лимонной кислоты, так и глиоксилатный цикл. В каких случаях изоцитрат направляется по одному, а в каких по другому пути?

Анализ экспериментальных данных

36. Как был открыт цикл лимонной кислоты.

Подробный механизм цикла лимонной кислоты был установлен в работах нескольких ученых в течение нескольких десятилетий. Впервые описание этого пути метаболизма было сделано Кребсом и Джонсоном в 1937 г. по итогам собственных исследований, а также по публикациям других ученых.

Методы исследований того времени сильно отличались от современных биохимических методов. До 1940-х гг. радиоактивные метки практически не использовались, поэтому Кребсу и другим ученым приходилось применять другие методы анализа. Потребление кислорода измеряли на свежеприготовленных образцах грудных мышц голубя; для этого измельченную мышечную ткань в буфере помещали в запаянный сосуд и определяли объем кислорода (в микролитрах), потребляемого при различных условиях. С целью количественного анализа интермедиатов образцы обрабатывали кислотой для удаления примесей белка, а затем там определяли содержание низкомолекулярных органических молекул. Два основных наблюдения, позволившие Кребсу и его коллегам сделать вывод, что механизм цикла лимонной кислоты вовсе не линейный (каким является, например, гликолиз), были получены в следующих экспериментах.

Эксперимент I. Инкубировали 460 мг измельченной мышечной ткани в 3 мл буфера при 40 °С в течение 150 мин. Добавление цитрата повышало потребление О₂ на 893 мкл по сравнению с образцами без цитрата. По расчетам, основанным на потреблении О₂ в присутствии других углеродсодержащих веществ, ожидаемое потребление О₂, необходимое для полного исчерпания этого количества цитрата, составляло лишь 302 мкл.

Эксперимент II. Определяли потребление 0₂ в присутствии 460 мг измельченной мышечной ткани в 3 мл буфера при инкубации с цитратом и/или с 1-глицерофосфатом (было известно, что 1-глицерофосфат легко окисляется при клеточном дыхании) при 40 °С в течение 140 мин, Результаты экспериментов представлены в таблице.

Количество потребленного О₂, мкл