ОСНОВЫ БИОХИМИИ ЛЕНИНДЖЕРА - ТОМ 1. ОСНОВЫ БИОХИМИИ СТРОЕНИЕ И КАТАЛИЗ - 2011

1. ОСНОВЫ БИОХИМИИ

Вопросы и задачи

Ниже представлены некоторые вопросы и задачи, относящиеся к содержанию данной главы. При решении можно пользоваться таблицами, помещенными на заднем форзаце. Каждое задание имеет заголовок, так чтобы читателю легче было определить, к какой теме оно относится. Каждый раз при решении численных задач помните, что в ответе должно стоять корректное число значащих цифр. Краткие решения приведены в Приложении Б; расширенные варианты ответов опубликованы в отдельном издании (David L. Nelson and Michael M. Cox, Lehninger Principles of Biochemistry Absolute Ultimate Guide (Study Guide & Solutions Manual, W. H. Freeman).

1. Размеры клеток и их компонентов

а) Если увеличить клетку в 10 000 раз (такое увеличение обычно достигается в электронном микроскопе), то какого размера она стала бы? Предположите, что вы рассматриваете «типичную» эукариотическую клетку с диаметром 50 мкм.

б) Если вы рассматриваете мышечную клетку (миоцит), сколько в ней содержится молекул актина? (Считайте, что клетка имеет сферическую форму и не содержит никаких других компонентов; молекулы актина имеют сферическую форму и диаметр 3,6 нм; объем сферы равен (4/3) wr².)

в) Если вы рассматриваете клетку печени (гепатоцит) таких же размеров, сколько в ней может содержаться митохондрий? (Считайте, что клетка имеет сферическую форму и не содержит никаких других компонентов; митохондрии имеют сферическую форму и диаметр 1,5 мкм.)

г) Глюкоза служит основным источником энергии для большинства клеток. Принимая внутриклеточную концентрацию глюкозы равной 1 мМ (т. е. 1 миллимоль/л), рассчитайте число молекул глюкозы, содержащихся в нашей гипотетической эукариотической клетке (сферической формы). (Число Авогадро, равное числу молекул в 1 моле неионизированного вещества, составляет 6,02 • 10²³.)

д) Гексокиназа является важным ферментом в метаболизме глюкозы. Если концентрация гексокиназы в нашей эукариотической клетке равна 20 мкм, то сколько молекул глюкозы приходится на молекулу гексокиназы?

2. Компоненты клетки Е. coli.

Клетки Е. coli имеют форму цилиндра высотой 2 мкм и диаметром 0,8 мкм. Объем цилиндра вычисляется по формуле wr²h, где h — высота цилиндра.

а) Сколько весит одна клетка Е. coli, если се плотность (в основном за счет воды) равна в среднем 1,1 • 10³ г/л?

б) Толщина защитной клеточной оболочки Е. coli равна 10 нм. Какую долю (в процентах) общего объема бактерии составляет клеточная оболочка?

в) Е. coli быстро растет и размножается благодаря тому, что в ее клетке присутствует около 15 000 сферических рибосом (диаметр рибосомы 18 нм), осуществляющих синтез белков. Какая часть общего объема клетки приходится на долю рибосом?

3. Генетическая информация в ДНК Е. coli.

Содержащаяся в ДНК генетическая информация определяется линейной последовательностью кодирующих единиц, называемых кодонами. Каждый кодон представляет собой специфическую последовательность трех нуклеотидов (трех пар нуклеотидов в двухцепочечной ДНК) и соответствует одному аминокислотному остатку в белке. ДНК Е. coli имеет очень большую молярную массу — около 3,1 • 10⁹ г/моль. Средняя молярная масса пары нуклеотидов равна 660 г/моль, а вклад каждой пары нуклеотидов в длину молекулы ДНК составляет 0,34 нм.

а) Используя эти данные, рассчитайте длину молекулы ДНК Е. coli. Сравните длину молекулы ДНК с размерами клетки (задача 2). Каким образом ДНК помещается в клетке?

б) Подсчитайте, чему равно максимальное число белков, которое может быть закодировано в молекуле ДНК Е. coli, если предположить, что белковая молекула состоит в среднем из 400 аминокислот.

4. Высокая скорость метаболизма у бактерий.

Бактерии характеризуются значительно более высокой скоростью метаболизма, чем клетки животных. В идеальных условиях бактериальная клетка обычно увеличивается в размерах вдвое и делится каждые 20 мин, тогда как большинству животных клеток для этого требуется 24 ч. Из-за высокой скорости метаболизма бактериям необходимо иметь большую площадь поверхности по отношению к объему клетки.

а) Почему максимальная скорость метаболизма должна зависеть от соотношения между площадью поверхности клетки и ее объемом?

б) Рассчитайте отношение площади поверхности клетки к ее объему у сферической бактерии Neisseria gonorrhea, вызывающей гонорею (диаметр клетки 0,5 мкм). Сравните полученное значение с отношением площади поверхности клетки к ее объему у шаровидной амебы — крупной эукариотической клетки диаметром 150 мкм. Площадь поверхности сферы рассчитывается по формуле wr².

5. Быстрый транспорт в аксонах.

Нейроны имеют длинные тонкие отростки, называемые аксонами. Аксоны обеспечивают передачу сигнала в нервной системе организма. Некоторые аксоны могут достигать длины до 2 м, например, аксоны, отходящие от спинного мозга и заканчивающиеся в мышцах пальцев ног. Маленькие заключенные в мембрану частицы, переносящие важные для работы аксонов вещества, движутся вдоль микротрубочек цитоскелета от центра клетки до окончаний аксонов. Если среднюю скорость движения частицы принять равной 1 мкм/с, то сколько времени понадобится такой частице (везикуле), чтобы пройти от центра клетки в спинном мозге до окончания аксона в пальцах ног?

6. Витамин С: отличается ли искусственный витамин С от натурального?

Некоторые поставщики обогащенных витаминами пищевых продуктов заявляют, что витамины, полученные из природных источников, полезнее для здоровья, чем синтезированные искусственным путем. Например, считается, что чистая L-аскорбиновая кислота (витамин С) из плодов шиповника полезнее чистой L-аскорбиновой кислоты, синтезированной на химическом производстве. Различаются ли витамины из этих двух источников? Может ли организм различить витамины из разных источников?

7. Идентификация функциональных групп.

На рис. 1-15 и 1-16 показаны некоторые функциональные группы, часто встречающиеся в биомолекулах. Поскольку свойства и биологическая активность биомолекул в значительной степени зависят от их функциональных групп, важно уметь их идентифицировать. Укажите функциональные группы в каждом из приведенных ниже соединений и назовите их.

8. Активность лекарственных веществ и стереохимия.

В некоторых случаях количественные различия в биологической активности двух энантиомеров одного и того же вещества выражены достаточно сильно. Например, D-изомер изопротеренола (применяется при легких приступах астмы) действует в качестве бронхорасширяющего средства в 50-80 раз сильнее, чем L-изомер. Укажите хиральный центр в молекуле изопротеренола. Почему два энантиомера так сильно различаются по биологической активности?

9. Разделение биомолекул.

Для изучения биомолекул определенного вида (белка, нуклеиновой кислоты, углевода или липида) в лабораторных условиях исследователь в первую очередь должен отделить эти молекулы от других, присутствующих в образце, т. е. провести очистку. Специфические методы очистки описаны далее в тексте. Однако, глядя на формулы мономерных звеньев биомолекул, вы уже сейчас можете указать несколько характерных особенностей, позволяющих выделить их из смесей с другими молекулами. Например, как бы вы отделили

а) аминокислоты от жирных кислот и б) нуклеотиды от глюкозы?

10. Возможна ли кремниевая жизнь?

Кремний расположен в той же группе Периодической системы, что и углерод, и может образовывать до четырех одинарных связей. Многие научно- фантастические произведения были основаны на предположении существования кремниевой жизни. Возможно ли это? Какие свойства кремния делают его менее подходящим на роль главного элемента жизни по сравнению с углеродом? Чтобы ответить на этот вопрос, вспомните, что вы прочли относительно способности углерода образовывать разнообразные связи, а также воспользуйтесь учебником неорганической химии, чтобы освежить в памяти свои знания о способности кремния образовывать связи.

11. Действие лекарственных препаратов и форма молекул.

Несколько лет назад две фирмы выпустили в продажу препарат под торговыми названиями декседрин и бензедрин. Структурная формула этого вещества приведена на рисунке.

По физическим свойствам (содержанию С, Н и N. температуре плавления, растворимости и др.) оба препарата идентичны. Тем не менее рекомендованная доза декседрина (он до сих пор выпускается) составляла 5 мг/сут., а рекомендованная доза бензедрина (снят с производства) была вдвое выше. Таким образом, для достижения одного и того же физиологического эффекта бензедрина требуется гораздо больше, чем декседрина. Объясните это кажущееся противоречие.

12. Строительные блоки сложных биомолекул.

На рис. 1-10 показана структура наиболее важных компонентов сложных биомолекул. Укажите строительные блоки, из которых состоят три изображенные ниже важные биологические биомолекулы (показаны в ионной форме, соответствующей физиологическому значению pH).

а) Гуанозинтрифосфат (GТР) — энергетически богатая молекула, нуклеотид, входящий в состав РНК:

б) Фосфатидилхолин — компонент многих мембран:

в) Метэнкефалин (энкефалин, содержащий в пятом положении метионин) — природный опиат мозга:

13. Определение структуры биомолекулы.

Из мышц кролика выделили неизвестное вещество X. Его структура была установлена на основании следующих наблюдений и экспериментов. Результаты качественного анализа показали, что вещество содержит только углерод, водород и кислород. Взвешенный образец вещества X был подвергнут полному окислению, после чего определены количества образовавшихся Н₂O и СO₂. Исходя из данных этого анализа было сделано заключение, что массовая доля С, Н и О в веществе X составляет соответственно 40,0, 6,71 и 53,29%. Молекулярная масса вещества X в соответствии с данными масс-спектрометрии оказалась равной 90,0 а. е. м. (см. дополнение 1-1). Метод инфракрасной спектроскопии показал, что в молекуле X есть одна двойная связь. Вещество X легко растворяется в воде, образуя кислы» раствор. При исследовании этого раствора с помощью поляриметра было установлено, что X обладает оптической активностью.

а) Определите эмпирическую и молекулярную формулы X.

б) Нарисуйте возможные структуры вещества X, которые удовлетворяли бы молекулярной формуле и имели одну двойную связь. Рассмотрите только линейные или разветвленные структуры, не принимая во внимание циклические структуры. Учтите, что атомы кислорода с трудом образуют связи между собой.

в) Какое значение для структуры молекулы имеет оптическая активность вещества? Какие структуры, предложенные вами в пункте (б), соответствуют этому наблюдению?

г) Какое значение для структуры молекулы имеет тот факт, что при растворении вещества X образуется кислый раствор? Какие структуры, предложенные вами в пункте (б), соответствуют этому наблюдению?

д) Каково строение вещества X? Совместимо ли со всеми имеющимися данными существование нескольких структур?

Анализ экспериментальных данных

14. Сладкий вкус вещества.

Человек многие вещества воспринимает как сладкие. Сладкий вкус возникает, когда молекула вещества связывается с рецептором сладкого — одним типом рецепторов на поверхности определенных клеток языка. Чем прочнее связывание, тем меньшей концентрации вещества достаточно для насыщения рецепторов и тем более сладкий вкус обеспечивает данная концентрация вещества. Изменение свободной энергии ∆С° в реакции связывания сладкого вещества и рецептора можно измерить в килоджоулях или в килокалориях на моль.

Количественно сладкий вкус можно определять в относительных единицах, принимая за точку отсчета сладость сахарозы. Например, сладость сахарина составляет 161 единицу, что означает, что он в 161 раз слаще сахарозы. На практике эту величину определяют, сравнивая по вкусу сладость растворов, содержащих различную концентрацию каждого сладкого вещества. Растворы сахарозы и сахарина имеют одинаковую сладость, когда сахароза взята в концентрации в 161 раз выше, чем концентрация сахарина.

а) Какова связь относительной сладости вещества и ∆С° реакции связывания? В частности, более отрицательное значение ∆С° соответствует большей или меньшей относительной сладости? Объясните свой ответ.

Ниже представлены структуры 10 веществ, каждое из которых кажется человеку сладким на вкус. Для каждого вещества представлены значения относительной сладости и ∆С° для реакции связывания с рецептором сладости.

Морини, Бассоли и Темусси (2005) использовали компьютерные методы (методы «in silico») для моделирования связывания молекул сладких веществ с рецепторами.

б) В чем преимущество компьютерного метода определения сладости веществ по сравнению с органолептическим методом определения сладости человеком или животными?

В своих ранних работах Шалленбергер и Акре (1967) предположили, что все сладкие вещества имеют структурную группу АН-В, где А и В — электроотрицательные атомы, разделенные расстоянием не менее 2,5 А (0,25 нм), но не более 4 А (0,4 нм); Н — атом водорода, связанный с одним из электроотрицательных атомов ковалентной связью (с. 481).

в) Учитывая, что длина «типичной» одинарной связи составляет 0,15 нм, идентифицируйте группы АН-В в каждой приведенной выше молекуле.

г) На основании своего ответа на вопрос (в) выскажите два возражения против утверждения, что «молекулы, имеющие структурную группу АН-В, сладкие».

д) Для двух приведенных выше молекул модель АН-В позволяет объяснить различия в относительной сладости и величине ∆G°. Какие это молекулы и как с их помощью подтвердить справедливость данной модели?

Многие приведенные выше молекулы, имеющие очень похожую структуру, весьма сильно различаются по сладости и величине ∆G°. Приведите два примера и с их помощью покажите, почему модель ∆Н-В не может объяснить различия в сладости и значении ∆С°.

В своем методе компьютерного моделирования для предсказания величины ∆G° в реакции связывания сладкого вещества и рецептора сладости Морини с соавторами использовали трехмерную структуру рецептора сладости и специальную программу для моделирования динамики молекул (GRAMM). Сначала они «тренировали» свою модель, т. е. изменяли параметры модели таким образом, чтобы предсказанные моделью значения ∆С° совпадали с известными значениями ∆С° для определенного ряда веществ. А затем они «тестировали» модель, пытаясь предсказать значения ∆С° для нового набора молекул.

е) Почему Морини с соавторами тестировали модель на другом ряде веществ, а не на том же, на котором проводилась «тренировка» модели?

ж) Оказалось, что предсказываемые значения ∆С° для тестируемого набора веществ отличаются от реальных значений в среднем па 1,3 ккал/моль. Используя значения, приведенные для перечисленных выше молекул, оцените ошибку в определении относительной сладости.