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

ЧАСТЬ II. БИОЭНЕРГЕТИКА И МЕТАБОЛИЗМ

18. ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ РАСЩЕПЛЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ И ОБРАЗОВАНИЕ МОЧЕВИНЫ

Вопросы и задачи

1. Продукты трансаминирования аминокислот.

Назовите и изобразите структуру α-кетокислоты, которая получится при трансаминировании α-кетоглутаратом следующих аминокислот: (а) аспартат, (б) глутамат, (в) аланин, (г) фенилаланин.

2. Измерение активности аланинаминотрансферазы.

Для измерения активности аланин- аминотрансферазы (скорости реакции) обычно в реакционную смесь добавляют избыток лактат- дегидрогеназы и NАDН. Скорость исчезновения аланина равна скорости расходования NАDН, который определяют спектрофотометрическими методами. Объясните, принцип этого метода анализа.

3. Аланин и глутамин в крови.

В норме в плазме крови человека содержатся все аминокислоты, необходимые для синтеза белков в организме, но не в различных концентрациях. Содержание аланина и глутамина гораздо выше, чем всех остальных. Как вы думаете, почему?

4. Распределение азота аминных групп.

Если в вашей пище большой избыток аланина, но недостаток аспартата, будут ли у вас признаки аспартатной недостаточности? Объясните.

5. Лактат вместо аланина в качестве метаболического топлива: цена удаления азота.

Три углерода лактата и аланина находятся в одинаковых степенях окисления, и животные могут использовать их углеродные скелеты в качестве метаболического топлива. Сравните выход АТР (моль АТР на моль субстрата) при полном окислении (до СO₂ и Н₂O) лактата и аланина, учитывая «затраты» на удаление азота.

6. Токсичность аммония, вызванная недостатком аргинина в пище.

В исследовании, проведенном несколько лет назад, кошек не кормили всю ночь, затем давали им пищу, содержащую все аминокислоты, кроме аргинина. Через два часа уровень аммония в крови кошки увеличился от нормы 18 мкг/л до 140 мкг/л, причем наблюдались выраженные симптомы интоксикации аммиаком. В контрольной группе, которой давали пищу, содержащую весь набор аминокислот или весь набор аминокислот без аргинина, но с орнитином, необычных симптомов не наблюдалось.

а) Какова была роль голодания в эксперименте?

б) Что вызвало повышение уровня аммония в экспериментальной группе? Почему отсутствие аргинина ведет к интоксикации аммиаком? Является ли аргинин незаменимой кислотой для кошки? Почему?

в) Почему орнитин может заменить аргинин?

7. Окисление глутамата.

Напишите последовательность уравнений (с коэффициентами) и полное уравнение реакции, описывающей окисление 2 моль глутамата до 2 моль α-кетоглутарата и 1 моль мочевины.

8. Трансаминирование и цикл мочевины.

Активность аспартатаминотрансферазы выше всех других аминотрансфераз в печени млекопитающих. Почему?

9. Довод против жидкой белковой диеты.

Диета для похудения, которую интенсивно пропагандировали несколько лет назад, состояла в ежедневном питании «жидким белком» («варево» из гидролизированного желатина), водой и набором витаминов. Любая другая пища и питье были исключены. При такой диете человек обычно терял за первую неделю 4,5-6 кг.

а) Оппоненты аргументировали свои сомнения в эффективности тем, что потеря веса обусловливается в основном потерей воды, и поэтому быстро восстановится, если начать нормально питаться. Какова биохимическая основа для данного аргумента?

б) Несколько людей, использующих эту диету, умерли. Что опасного в такой диете и как она может привести к смерти?

10. Кетогенные аминокислоты.

Какие аминокислоты являются исключительно кетогенными?

11. Генетические дефекты метаболизма аминокислот: пример из истории.

Двухлетний ребенок был доставлен в больницу. Его мама сказала, что у ребенка бы частая рвота, особенно после кормления. Вес и физическое развитие ребенка отставало нормы. В его волосах были белые пряди, хотя в основном волосы были темными. Проба мочи, обработанная хлоридом железа (FеСl₃), в присутствии фенилпирувата окрашивалась в зеленый цвет. Результаты анализов мочи приведены в таблице.

а) Предположите, какой фермент может быть дефектен у этого ребенка. Предложите лечение.

б) Почему фенилаланин появляется в моче в больших количествах?

в) Что является источником фенилпирувата и фениллактата? Почему этот путь (в норме не функционирующий) активируется при увеличении концентрации фенилаланина?

г) Почему в волосах ребенка есть пряди белого цвета?

12. Роль кобаламина в катаболизме аминокислот.

Пернициозная анемия вызывается снижением абсорбции витамина В₁₂. Какое влияние это оказывает на катаболизм аминокислот? На все ли аминокислоты влияние одинаково? (Подсказка. См. доп. 17-2.)

13. Вегетарианство.

Вегетарианская диета обеспечивает высокий уровень антиоксидантов в организме человека, а также такой липидный профиль, который помогает предотвратить появление сердечно-сосудистых заболеваний. Однако при этом возникают другие проблемы. Для исследований брали образцы крови у большой группы добровольцев, состоящей из веганов, придерживающихся строгой вегетарианской диеты, полностью лишенной продуктов животного происхождения, лактовегетарианцев (вегетарианцев, употребляющих молочные продукты) и обычных людей, в рацион питания которых входят различные продукты, включая мясо. Представители каждой группы придерживались своей диеты несколько лет. В крови у веганов был обнаружен повышенный уровень гомоцистеина и метилмалоната, чуть ниже он был у лактовегетарианцев и значительно ниже — у людей с обычным рационом питания. Объясните это наблюдение.

14. Пернициозная анемия.

Недостаточность витамина В₁₂ может наблюдаться при нескольких редких генетических заболеваниях, в результате которых уровень витамина снижается, несмотря на его нормальное содержание в рационе питания, куда входили мясные и молочные продукты. Данное состояние нельзя вылечить путем употребления в пищу добавок витамина В₁₂. Объясните, почему.

15. Механизм реакций с участием пиридоксальфосфата.

Треонин расщепляется треониндегидратазой, катализирующей превращение треонина в α-кетобутират и аммиак. Этот фермент использует в качестве кофактора пиридоксальфосфат. Изучив механизма, изображенный на рис. 18-6, предложите механизм данной реакции. Обратите внимание, что в данной реакции происходит удаление из молекулы треонина β-атома углерода.

16. Судьба углерода и азота в метаболизме глутамина.

Когда [2-¹⁴С,^15N] глутамат подвергается окислительному расщеплению в печени крысы, в каких метаболитах будет найден каждый их изотопов: (а) мочевина, (б) сукцинат, (в) аргинин, (г) цитруллин, (д) орнитин, (е) аспартат?

17. Химическая стратегия катаболизма изолейцина.

Изолейцин разрушается в шесть стадий до пропионил-СоА и ацетил-СоА:

а) Химия деградации изолейцина включает стратегии, аналогичные используемым в цикле трикарбоновых кислот и β-окислении жирных кислот. Интермедиаты деградации изолейцина (от I до V) показаны ниже не по порядку. Используя знание и понимание цикла трикарбоновых кислот и пути β-окисления, расположите эти интермедиаты в метаболической последовательности, соответствующей разрушению изолейцина.

б) Для каждой предложенной вами стадии опишите химический процесс, проведите аналогичный пример из цикла трикарбоновых кислот или β-окисления жирных кислот (где это возможно), и обозначьте необходимые кофакторы.

18.Роль пиридоксальфосфата в метаболизме глицина.

Фермент серин-гидроксиметилтрансфераза использует в качестве кофактора пиридоксальфосфат. Предположите механизм катализируемой этим ферментом реакции в направлении деградации серина (образовании глицина). (Подсказка. См. рис. 18-19 и 18-20, б.)

19. Параллельные пути распада аминокислот и жирных кислот.

Углеродный скелет лейцина расщепляется в серии реакций, аналогичных некоторым в цикле трикарбоновых кислот и β-окислении. Для каждой реакции от (а) до (е) укажите тип, приведите похожую реакцию из цикла трикарбоновых кислот и пути β-окисления (где это возможно), и обозначьте необходимые кофакторы.

Анализ экспериментальных данных

20. Болезнь кленового сиропа.

На рис. 18-28 изображен путь расщепления аминокислот с боковой цепью, а также показан участок биохимического нарушения, приводящего к развитию болезни кленового сиропа. Первые наблюдения, которые в итоге привели к выяснению сути этого заболевания, были опубликованы в трех статьях, появившихся в конце 1950-х и начале 1960-х гг. Данная задача составлена на основе истории открытия биохимического механизма заболевания, начиная с самых первых исследований.

Менкес, Харст и Крейг (1954) сообщали о случаях смерти в одной и той же семье четырех новорожденных детей, причем у всех детей наблюдались одинаковые симптомы неизвестного тогда заболевания. Во всех случаях беременность и роды протекали нормально. В первые 3-5 дней жизни новорожденных также не было выявлено каких-либо проблем. Однако вскоре у детей начинались конвульсии, и младенцы умирали в возрасте от 11 дней до 3 месяцев. При аутопсии выявлялся сильный отек мозга. Начиная с третьего дня жизни, моча этих детей имела сильный и необычный запах «кленового сиропа».

Менкес (1959) сообщал о других шести детях, у которых наблюдались такие же симптомы, какие были описаны в первой статье. Все дети умерли в возрасте от 15 дней до 20 месяцев. Менкесу удалось получить образец мочи одного из детей на последнем месяце жизни. При обработке мочи 2,4-динитрофенилгидразином, образующим с кетосоединениями окрашенные осадки, было обнаружено, что три α-кетокислоты присутствуют в очень больших количествах:

а) Эти α-кетокислоты образуются в результате дезаминирования аминокислот. Укажите, из какой аминокислоты получена каждая изображенная выше α-кетокислота.

Дансиз, Левиц и Вестолл (1960), рассмотрев дополнительные данные, предложили биохимический механизм данного нарушения (см. рис. 18-28). Они наблюдали за развитием болезни у ребенка, у которого запах кленового сиропа в моче впервые появился в возрасте 4 месяцев. В возрасте 10 месяцев (март 1956 г.) ребенок попал в больницу с высокой температурой; у него было зафиксировано сильное отставание моторного развития. В возрасте 20 месяцев (январь 1957 г.) он опять был госпитализирован с неврологическими симптомами, которые наблюдались ранее у детей с болезнью кленового сиропа; вскоре ребенок умер. Результаты анализа его мочи и крови представлены в таблице.

б) В таблице вы видите таурин — аминокислоту, которая обычно не содержится в белках. Таурин часто является побочным продуктом при повреждении клеток. Вот его формула:

На основании строения молекулы таурина и информации, изложенной в данной главе, предположите, какая аминокислота, наиболее вероятно, является его предшественником. Объясните свой ответ.

в) Какие аминокислоты присутствовали в крови пациента в особенно большой концентрации в январе 1957 г. (по сравнению с нормой)? Какие аминокислоты присутствовали в моче в особенно высокой концентрации?

На основании полученных результатов и знания метаболического пути, отраженного на рис. 18-28, Дансиз с соавт. заключили: «Авторы считают наиболее вероятным, что первая преграда возникает в метаболическом пути при распаде разветвленных аминокислот, однако пока это не может считаться окончательно доказанным».

г) Как представленные здесь данные подтверждают это заключение?

д) Какие из представленных здесь результатов не согласуются с предложенной моделью заболевания кленового сиропа? Как можно объяснить это кажущееся противоречие?

е) Какие еще данные могли бы дополнительно подтвердить сделанное заключение?