задачи. Задачи с решениями
 Скачать 11.17 Mb.
|
|
ЗАДАЧИ С РЕШЕНИЯМИ 1.(ХРОМОПРОТЕИДЫ: Свойства и функции гемоглобина). Больным, страдающим ишемической болезнью сердца, в том числе перенесшим инфаркт миокарда, физиотерапевты назначают «сухие» углекислые ванны в целях восстановительного лечения. Для проведения этой процедуры используются специальные герметичные устройства – ванны, в которые сажают обнаженного пациента с последующей точно дозируемой (12–15 л/мин) подачей в них подогретого до 36–37 °С и увлажненного углекислого газа в течение 10–15 мин. Углекислый газ обладает довольно высокой липофильностью и хорошо проникает в клетки тканей. При проведении таких процедур у больных улучшается оксигенация тканей и микроциркуляция. Почему «сухие» углекислые ванны оказывают влияние на количество доставляемого в ткани О2? Для ответа на вопрос: а) назовите клетки, в метаболизм которых в ходе лечения включается СО2, что и приводит к положительному терапевтическому эффекту; б) опишите метаболизм СО2 в этих клетках, назовите фермент, обеспечивающий его включение в состав кислоты; представьте схему ее диссоциации; в) объясните положительное влияние одного из продуктов диссоциации на количество доставляемого в ткани О2,, нарисуйте соответствующую схему. ОТВЕТ: а) Углекислый газ активно включается в метаболизм эритроцитов. б) В эритроцитах фермент карбоангидраза катализирует превращение углекислого газа в угольную кислоту. Образовавшаяся угольная кислота диссоциирует с образованием протона и гидрокарбонат-иона, который по механизму антипорта удаляется из эритроцита. в) Второй продукт реакции диссоциации угольной кислоты – протон. Ионы водорода присоединяются к радикалам Гис146, Гис122 двух β-цепей и концевым α-аминогруппам 2 α-цепей гемоглобина. Вследствие этого возникают конформационные изменения протомеров Нb и снижение его сродства к О2, который выходит из клетки и поступает в ткани, что приводит к лучшей оксигенации тканей сердца.  Рис. 1 Перенос Н+ и СО2 с кровью. Эффект Бора Данный эффект (эффект Бора) осуществляется системно во всем организме, что способствует лучшей отдаче кислорода не только в здоровых тканях, но и в интенсивно восстанавливающихся тканях, поврежденных ишемией. 2. (ХРОМОПРОТЕИДЫ: Свойства и функции гемоглобина) Автослесарь во время ремонта автомобиля находился в гаражном боксе в течение шести часов. Помещение не было приспособлено для работы с автомобилями с запущенным двигателем, но слесарь, по неопытности, пренебрегая правилами техники безопасности, довольно часто производил запуск двигателя. Вскоре он почувствовал слабость и сонливость, а потом потерял сознание. Его обнаружили коллеги, вынесли на воздух и вызвали скорую помощь. При осмотре. Нарушение дыхания: поверхностные редкие, неравномерные дыхательные движения. Расширение зрачков с ослабленной реакцией на свет. Частота сердечных сокращений: 98 уд/мин. Артериальное давление 60/0. Экстренно госпитализирован в реанимационное отделение ближайшего стационара.Цвет лица розовый. Для ответа на вопрос: а) назовите белок эритроцитов, функцию которого будет подавлять это соединение; б) опишите строение этого белка; представьте схему, объясняющую его функционирование в норме; в) объясните механизм ингибирующего действия оксида углерода на основной белок эритроцитов. ОТВЕТ: а) Угарный газ (СО), содержащийся в табачном дыме подавляет функцию основного белка эритроцитов – гемоглобина. б) Гемоглобин относится к гемопротеинам, обладает четвертичной структурой (состоит из 4 протомеров), благодаря чему возникает возможность регуляции его функций. У взрослого человека доминирует HbA, который состоит из протомеров α1, α2, β1 и β2, соединенных вместе. Они образуют почти правильную форму шара, где каждая α-цепь контактирует с 2 β-цепями. Четвертичная структура гемоглобина стабилизирована за счет слабых межрадикальных взаимодействий – гидрофобных, ионных и водородных. В результате образуются димеры α1β1 и α2β2, между которыми возникают в основном полярные (ионные и водородные) связи. При изменении рН среды в кислую или щелочную сторону в первую очередь разрушаются связи между димерами. В «центральной полости» каждого протомера присутствует гем, который удерживается глобином (белковой частью) за счет гидрофобного взаимодействия и 2 остатков Гис Е7 и Гис F8. Эти 2 аминокислотных остатка играют важную роль в функционировании белка. Они расположены по разные стороны от плоскости гема. Атом железа в геме может образовывать 6 координационных связей, 4 из них удерживают Fe2+ в центре протопорфирина IX (соединяя его с атомами азота пиррольных колец), а 5-я связь возникает между Fe2+ и Гис F8. Гис Е7 не связан с гемом, но необходим для правильной ориентации и присоединения О2. Аминокислотное окружение гема создает условия, которые способствуют прочному, но обратимому связыванию Fe2+ с О2. Гидрофобные остатки аминокислот, окружающие гем, препятствуют проникновению в центр связывания гемоглобина воды и окислению Fe2+ в Fe3+. Трехвалентное железо в составе гема не способно присоединять О2. Кровь ежедневно должна переносить около 600 л О2. Способность гемоглобина насыщаться О2 в легких и относительно свободно отдавать его в капиллярах тканей определяет интенсивность метаболизма. Однако О2 представляет собой сильный окислитель, избыток поступления его в ткани может привести к нарушению структуры и функций клеток. Следовательно, важнейшая характеристика гемоглобина – способность регулировать сродство к О2 в зависимости от состояния тканей. в) Гем гемоглобина обладает более высоким сродством к молекуле СО, чем к О2. Высокая степень сродства объясняется разным пространственным расположением комплексов Fe2+ гема с СО и О2. В комплексе Fe2+ гема с СО атомы Fe2+, углерода и кислорода расположены на одной прямой, а в комплексе Fe2+ гема с О2 атомы железа и кислорода расположены под углом, что отражает их оптимальное пространственнее расположение.  Рис. 2 Функционирование гемоглобина в норме Большую роль в снижении сродства Нb к СО играет Гис Е7, который создает оптимальные условия для связывания О2. Сродство Нb к СО в 200 раз выше превышает его сродство к О2. При повышенной концентрации СО в воздухе, что и наблюдается в данном случае, оксид углерода (СО) вытесняет кислород из Нb, образуя карбоксигемоглобин, который не способен служить переносчиком кислорода. Скорость присоединения СО к Нb примерно в 10 раз ниже скорости связывания О2 с Нb, однако отщепление СО от карбоксигемоглобина происходит приблизительно в 3600 раз медленнее, чем О2 от оксигемоглобина, поэтому присоединившийся СО остается в связанном виде значительно дольше, нежели кислород. Присоединение СО – обратимый процесс и при повышенном содержании кислорода увеличивается вероятность того, что после отщепления молекулы СО ее место будет занято не новой молекулой СО, а кислородом. Частичная замена кислорода на СО не только уменьшает количество гемоглобина, способного переносить кислород, но и ухудшает функционирование оксигемоглобина, а именно отдачу О2 в капиллярах тканей. 3. БИОХИМИЯ НЕРВНОЙ ТКАНИ. Бактерии Clostridium botulinum выделяют 7 типов токсинов белковой природы. Наиболее токсичен из них токсин типа А (БОТОКС). Хотя БОТОКС – одно из самых токсичных веществ в природе, он искусственно синтезируется и широко используется в медицине, особенно в косметологии. БОТОКС препятствует выделению ацетилхолина пресинатическими мембранами. БОТОКС – цинкзависимая протеаза, специфически вырезает белок SNAP-25 (синаптосомальный протеин 25 kDa), заякоренный в пресинаптической мембране и таким образом препятствует соединению синаптических пузырьков с пресинаптической мембраной, что прекращает секрецию ацетилхолина и, соответственно, нарушает проведение импульсов через синапсы. Объясните возможность применения БОТОКСа в косметологии. Для ответа на вопрос: а) назовите принципы использования БОТОКСа, зная механизм его действия в организме человека; б) какие осложнения возможны при неправильном проведении процедуры инъекции БОТОКСа; в) нарисуйте схемы, показывающие роль ацетилхолина в синаптической передаче сигнала и перемещении синаптического пузырька, содержащего ацетилхолин, с помощью белка SNAP-25. ОТВЕТ: а) Инъекция БОТОКСа в кожу уменьшает или полностью прекращает проведение нервных импульсов и поэтому предотвращает сокращение мышц в области инъекции. Образование морщин в этих областях прекращается, т.к они появляются в результате постоянного сокращения мышц, особенно в уголках глаз и на лбу. б) При неправильном проведении процедура может привести к параличу вне области инъекции или даже летальному исходу из-за нарушения проводимости сигналов через синапсы в таких жизненно важных органах, как сердце и легкие. в) Разрушение белка SNAP-25 приводит к нарушению слияния синаптического пузырька, содержащего ацетилхолин, с пресинаптической мембраной и прекращению секреции ацетилхолина в синаптическую щель.  Рис. 3 Роль ацетилхолина в синаптической передаче сигнала  Рис. 4 Роль SNAP-25 (синаптосомального протеина 25 kDa) в перемещении синаптического пузырька 4. Регуляция активности ферментов. Студент получил задание – охарактеризовать активный центр 3 ферментов Е1, Е2, Е3. Для этого он использовал вещества: диизопропилфторфосфат (ДФФ, специфический необратимый ингибитор «сериновых» ферментов) и монойодуксусную кислоту (необратимый неспецифический ингибитор ферментов), а также субстраты этих ферментов. Проведя свои опыты, студент сделал вывод, что Сер присутствует в активном центре ферментов Е1 и Е2, а в активном центре Е1, Е3 и Е2 он определил наличие аминокислотного остатка Цис. Оцените достоверность результатов, полученных студентом. Для ответа на вопрос: а) укажите, почему в работе студент использовал ДФФ и монойодуксусную кислоту; представьте схемы, объясняющие механизм их взаимодействия с ферментом; б) опишите, как студент мог определить активность ферментов; укажите, в каких единицах измеряется активность ферментов. ОТВЕТ: а) ДФФ относится к специфическим необратимым ингибиторам «сериновых» ферментов, т.к. он образует ковалентную связь с гидроксильной группой серина в активном центре фермента при условии определенного окружения радикала серина – Асп, Сер, Глу. Вывод, сделанный студентом, о наличии в активном центре ферментов Е1 и Е2 серина, правильный.  Рис. 5 Использовать монойодуксусную кислоту для установления структуры функциональных групп активного центра фермента нельзя. Это вещество относится к необратимым неспецифическим ингибиторам ферментов и образует ковалентные связи со свободными SH-группами цистеина, занимающими любое положение в молекуле белков. Вывод студента о наличии SH-группы в активном центре ферментов Е1, Е2 и Е3 необходимо проверить, применяя специфические ингибиторы;  Рис. 6 б) Добавляя субстрат в реакционную смесь, уже содержащую фермент и ДФФ или монойодуксусную кислоту, он смог оценить ингибирующее действие этих веществ по снижению скорости расходования субстрата или образования продукта. Результаты опытов показали снижение активности всех ферментов (Е1, Е2, Е3). Удельная активность фермента = S (мкмоль) /τ (мин) · m (мг). 5. Регуляция активности ферментов. В 1935 г. немецкий врач Г. Домагк обнаружил противомикробное действие протонзила (красного стрептоцида), синтезированного в качестве красителя. Вскоре было установлено, что «действующим началом» красного стрептоцида служит образующийся при его метаболизме сульфаниламид (стрептоцид), от которого произошла большая группа сульфаниламидных препаратов. Бактериостатическое действие сульфаниламидов связано с тем, что они замещают парааминобензойную кислоту (ПАБК) в активном центре фермента дигидроптеоратсинтазы в процессе синтеза бактериями фолиевой кислоты, необходимой для образования нуклеотидов, т.е. сульфаниламиды –псевдосубстраты. Нарушение синтеза нуклеотидов и, следовательно, нуклеиновых кислот вызывает изменения роста и развития микроорганизмов. В организме человека фолиевая кислота не синтезируется, а поступает с пищей, как витамин.  Рис. 7 Объясните механизм антибактериального действия сульфаниламидов. Ответьте на вопросы: а) как называется такой тип ингибирования? Благодаря чему он возможен (сравните химические структуры сульфаниламидов и ПАБК)? б) как такие ингибиторы влияют на Км и Vmax-реакции? в) почему сульфаниламиды неэффективны в средах, где много ПАБК (например, там, где находится гной)? г) почему при лечении обычно назначают сразу «ударную» дозу сульфаниламидов? д) будут ли сульфаниламиды влиять на усвоение фолиевой кислоты человеком? ОТВЕТ: а) Конкурентное ингибирование; из-за схожести химических структур сульфаниламидов и ПАБК. б) Конкурентные ингибиторы увеличивают Км, не изменяют Vmax; сульфаниламиды как структурные аналоги ПАБК связываются в активном центре фермента дигидроптеоратсинтазы (вместо ПАБК), ингибируя ее. в) Конкурентное ингибирование можно ослабить или полностью прекратить, повысив концентрацию субстрата (ПАБК), поэтому при высокой концентрации ПАБК сульфаниламиды неэффективны. г) Это делают для того, чтобы за короткий промежуток времени достичь большой концентрации сульфаниламидов в крови, большинство молекул дигидроптеоратсинтазы будет ингибировано (при конкурентном ингибировании степень ингибирования пропорциональна отношению концентраций ингибитора и субстрата: чем оно выше, тем полнее ингибирование). Таким образом, бактерии теряют способность синтезировать нуклеиновые кислоты, размножаться и погибают. д) Нет, т.к. сульфаниламиды влияют на синтез фолиевой кислоты. На процессы усвоения и образования коферментных форм фолиевой кислоты в организме человека сульфаниламидные препараты не воздействуют. 6. МАТРИЧНЫЕ БИОСИНТЕЗЫ. Глутатион-S-трансферазы (GST) – семейство ферментов, катализирующих присоединение глутатиона (GSH) к различным ксенобиотикам. В ходе этих реакций обезвреживаются токсические вещества, повышается вероятность их выведения из организма. Многофункциональное семейство глутатион-S-трансферазы (GST) играет существенную роль как в метаболизме липидов, продуктов свободнорадикальных реакций, так и в обезвреживании канцерогенов. Известно несколько «полиморфов» GST и, соответственно, полиморфных генов этого фермента. При наличии так называемого «ноль-генотипа» GST (проявляющегося низкой активностью фермента) увеличивается риск развития рака молочной железы. Объясните, как в ходе эволюции могли возникнуть несколько вариантов гена глутатионтрансфераз, включая и ген, присутствие которого в геноме способствует возникновению рака молочной железы. Для этого: а) объясните, что такое полиморфизм, мутации; б) назовите матричный процесс, нарушение которого могло привести к неполному исправлению ошибок репликации и полиморфизму; представьте его схему и дайте краткое описание; в) поясните, почему низкая активность GST способствует развитию онкологического заболевания; г) приведите примеры полиморфизма других белков, которые вы знаете. ОТВЕТ: а) Существование в популяции 2 и большего числа аллелей одного гена называют «аллеломорфизм», а белковые продукты, образующиеся в ходе экспрессии этих вариантов гена, – «полиморфы». Причина возникновения нескольких вариантов гена глутатионтрансферазы – нарушение процесса репарации, в результате чего могут образовываться гены, кодирующие белки, которые немного отличаются по свойствам от исходного белка. Изменения в последовательности пуриновых или пиримидиновых нуклеотидов в гене, неисправленные ферментами репарации, получили название «мутации». Иногда из-за нарушения репарации появляются гены белков, вызывающие патологические состояния. б) Этот процесс называется «репарация».  Рис. 11 Система репарации ошибок репликации в) Снижение активности глутатионтрансферазы и, соответственно, скорости конъюгации канцерогенов с GSH может привести к мутациям, т.к. такие ксенобиотики практически не выводятся из организма. г) Примеры полиморфизма – варианты гена фермента гликозилтрансферазы (А, В и О), отвечающего за формирование групп крови по системе АВО; белки главного комплекса гистосовместимости и др. 7. МАТРИЧНЫЕ БИОСИНТЕЗЫ. ТРАНСКРИПЦИЯ. Регуляция экспрессии генов у бактерий, как известно, происходит на стадии транскрипции при помощи оперонов. Однако существуют дополнительные механизмы регуляции экспрессии бактериальных генов. Один из них – синтез антисмысловой РНК. Для синтеза антисмысловой РНК используется специальный, отличный от данного «анти-ген». Антисмысловая РНК комплементарна последовательности мРНК и может образовывать с ней двуцепочечную молекулу, стабилизированную водородными связями. Искусственно синтезированные антисмысловые РНК в настоящее время проходят экспериментальные испытания на способность задерживать развитие рака, а также используются для борьбы с ВИЧ-инфекцией способом блокировки синтеза определенных вирусных белков. Объясните, почему антисмысловые РНК замедляют экспрессию определенных генов. Для этого: a) приведите схему процесса, скорость которого снижается при активации транскрипции «анти-гена». Назовите его этапы и стадии; б) укажите, какие виды РНК принимают участие в этом процессе. |