ЗАДАЧИ С РЕШЕНИЯМИ 1 .(ХРОМОПРОТЕИДЫ: Свойства и функции гемоглобина).

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-
1
цепь контактирует с 2 β-цепями. Четвертичная структура гемоглобина стабилизирована за счет слабых межрадикальных
взаимодействий – гидрофобных, ионных и водородных. В результате образуются димеры α 1β1 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.
2
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 Е 1 и Е2 серина,
правильный.
3
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:
4
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».
5
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.
ОТВЕТ:
a) Синтез белка проходит следующие этапы: инициация, элонгация, терминация.
6
Рис. 12 Инициация
Рис. 13 Элонгация
Одна аминокислота в процессе элонгации проходит в 3 стадии:
• включение аа-тРНК в А-центр;
• образование пептидной связи;
• перемещение пептидил-тРНК из А-центра в в Р-центр в результате транслокации рибосомы.
7
Рис. 14 Терминация
б) В ходе синтеза белка участвуют мРНК, тРНК, рРНК (в составе рибосом).
8. МАТРИЧНЫЕ БИОСИНТЕЗЫ. РЕПЛИКАЦИЯ. Цитогенетическим маркером хронического миелолейкоза
(ХМЛ) служит Ph-хромосома (Филадельфийская хромосома), которая возникает за счет обмена генетическим
материалом между хромосомами 9 и 22. В результате транслокации на 22-й хромосоме возникает новый ген BCRABL, кодирующий белок, представляющий собой тирозинкиназу с повышенной активностью. Симптомы
заболевания - нейтрофильный лейкоцитоз со сдвигом лейкоцитарной формулы до миелоцитов и промиелоцитов,
спленомегалия, астения, обусловленная повышенным клеточным распадом, который может сопровождаться
гиперурикемией. В типичных случаях гематолог легко ставит диагноз ХМЛ, но иногда клиникогематологическая картина не типична и требуется подтверждение диагноза.
Опишите молекулярно-генетический метод, с помощью которого можно подтвердить диагноз ХМЛ.
Для этого:
а) объясните, как можно получить большое число копий гена в условиях репликации in vitro при очень
малых количествах исходной ДНК в образце; приведите схему этого процесса;
б) перечислите, какие компоненты содержит реакционная смесь;
в) изложите, какова функция праймеров;
г) поясните, каким способом можно выявить мутацию в амплифицированном участке ДНК.
ОТВЕТ:
а) Большое число копий гена можно получить методом ПЦР.
8
Рис. 15 Схема ПЦР
б) Компоненты реакционной смеси: исследуемая ДНК, 4 dNTP, 2 праймера, термостабильная, или Taq-полимераза,
буфер, содержащий ионы Mg2+.
в) Праймеры – это короткие олигодезоксирибонукеотидные последовательности длиной от 15 до 30 пар
нуклеотидов, которые комплиментарны 3’-концам амплифицируемого участка на нитях ДНК. Расстояние между
праймерами определяет длину синтезируемых фрагментов молекулы ДНК.
г) Образцы с амплифицированным фрагментом ДНК, предположительно содержащим мутацию, наносят на узкие
полоски нитроцеллюлозы и обрабатывают меченными олигонуклеотидами (32Р-зондами), содержащими нормальную и
мутантную последовательности. Радиоавтографически оценивают, с какими 32Р-зондами связывается ДНК пациента.
Гибридизация с радиоактивно меченым зондом ‒ наиболее чувствительный метод индикации. Кроме данного метода, в
диагностической практике используют электрофорез в агарозном геле с окрашиванием бромистым этидием и ДНКгибридизацию с последующей индикацией с помощью ферментативной и люминисцентной меток.
9
9. ГОРМОНЫ. МЕХАНИЗМЫ ДЕЙСТВИЯ (первое занятие). Важное свойство мембран – способность
воспринимать и передавать внутрь клетки сигналы из внешней среды. Около 80% первичных мессенджеров
(гормоны, нейротрансмиттеры) взаимодействуют со специфическими рецепторами, которые связаны с
эффекторами через G-белки. Последние участвуют в разных трансмембранных системах передачи сигнала.
Объясните роль G-белков в этих процессах.
Для этого:
а) опишите структурную организацию G-белков;
б) подумайте, какие специфические центры должна иметь каждая α-субъединица в аденилатциклазной
системе;
в) напишите схему передачи сигнала от мембранного рецептора через G-белок на фермент
аденилатциклазу;
г) разъясните, как усиливается сигнал при работе аденилатциклазной системы;
д) объясните, почему G-белки называют «внутренние часы клетки».
ОТВЕТ:
а) G-белки локализованы на внутренней поверхности плазматической мембраны, имеют гетеротримерную
структуру. Они состоят из большой α-субъединицы , а также меньших β- и γ-субъединиц. α-субъединица обладает ГТФазной активностью, в неактивной (выключенной) форме она связывает молекулу ГДФ на активном сайте. Субъединицы
βиγ
Рис. 16 Структура G-белков
связаны между собой и в физиологических условиях не могут быть диссоциированы. В неактивном состоянии βγкомплекс непрочно связан с α-субъединицей. γ-Субъединица связана с мембраной геранилгераниловой цепью, близкой
по структуре к холестерину, а α-субъединица ‒ с помощью миристиновой кислоты. Такие связи обеспечивают
удержание комплекса G-белка в плоскости мембраны и способность легко двигаться в этой плоскости.
б) Необходимы центры для:
• связывания ГТФ или ГДФ;
• взаимодействия с рецептором;
• связывания с βγ-субъединицами;
• взаимодействия с ферментом аденилатциклазой.
в)
Рис. 17 Аденилатциклазная система
г) Каскадный механизм. Одна молекула гормона, активирующая рецептор, может «включать» несколько G-белков,
затем каждый активирует несколько молекул аденилатциклаз с образованием тысяч молекул цАМФ и т.д. Таким
10
образом, по механизму каскадного усиления одна молекула гормона способна изменить активность нескольких тысяч
молекул.
д) Конформационные изменения в комплексе {α-ГТФ}-{АЦ} стимулируют повышение ГТФ-фосфатазной
активности α-субъединицы. Протекает реакция дефосфорилирования ГТФ, и один из продуктов
Рис. 18
реакции, неорганический фосфат (Рi), отделяется от α-субъединицы, а комплекс α-ГДФ сохраняется. Образование
в активном центре α-субъединицы молекулы ГДФ снижает его сродство к аденилатциклазе, но увеличивает сродство к
βγ-субъединицам. G-белок возвращается к неактивной форме. Таким образом, скорость гидролиза ГТФ определяет
время, в течение которого система находится в активном состоянии.
10. 1. ЛИПИДЫ: ПЕРЕВАРИВАНИЕ И ВСАСЫВАНИЕ. 2. ВИТАМИНЫ. Пациентка в возрасте 50 лет страдает в
течение нескольких лет дискинезией желчного пузыря, что проявляется тупыми болями в правом подреберье.
При исследовании кала выявлена стеаторея. В последний месяц у женщины ухудшилось зрение в темноте.
Объясните, почему нарушение функции желчного пузыря может привести к ухудшению зрения у данной
больной. Изучите последовательность событий, представленных на схеме (рис. А-Г), происходящих в процессе
восприятия энергии фотона палочками (рецепторными клетками сетчатки).
Для этого:
а) назовите витамин, который обозначен буквой (V) на рисунке, являющийся предшественником
кофермента родопсина;
б) опишите, какие изменения происходят с коферментом, выбранным вами в пункте а) и родопсином при
поглощении кванта света (hv);
в) какой тип белка вам напоминает трансдуцин и в каких системах вы видели такой тип белка (см. рис. Б);
г) какую реакцию катализирует фермент ФДЭ, активированный трансдуцином, напишите эту реакцию и
укажите ее значение;
д) разъясните, что происходит с Na+/Ca2+-каналом в результате предыдущей реакции и какие изменения
происходят при этом (см. рис. Г);
е) объясните молекулярные механизмы связи между дискинезией желчного пузыря и нарушением зрения в
темноте.
11
Рис. 19
М – мембрана наружного сегмента палочек; R - белок родопсин,; hv – энергии фотона; Т - трансдуцин; V –
витамин.
ОТВЕТ:
а) Коферментом зрительного белка опсина служит 11-цис-ретиналь, альдегидное производное жирорастворимого
витамина А; ретиналь и опсин образуют белок родопсин.
б) При восприятии кванта света зрительным рецептором происходит изомеризация в витаминной части
зрительных рецепторов: производное витамина А 11-цис-ретиналь превращается в транс-ретиналь. В результате
изменяется белковая опсиновая часть рецепторов, родопсин обесцвечивается и переходит в метародопсин II.
Метародопсин II взаимодействует с другим белком – трансдуцином.
в) Трансдуцин состоит из 3 протомеров. В результате активации системы энергией фотона α протомер
трансдуцина обменивает ГДФ, который связан с ним в темновой фазе, на ГТФ.
Трансдуцин - разновидность семейства тримерных G-белков. G-белки служат компонентом аденилатциклазной,
инозитолфосфатной и других систем передачи сигнала.
г) ФДЭ-фосфодиэстераза – фермент, который гидролизует в данном случае молекулу цГМФ до ГМФ.
Рис. 20
Значение этой реакции - снижение концентрации цГМФ в цитоплазме наружного сегмента.
д) При уменьшении концентрации цГМФ Na+/Ca2+ каналы в плазматической мембране наружного сегмента,
которые были открыты в темноте и через которые внутрь рецепторных клеток входили ионы Na + и Ca2+, закрываются.
Уменьшение входа ионов Na+ приводит к гиперполяризации мембраны и возникновению рецепторного потенциала.
е) Дискинезия желчного пузыря характеризуется снижением поступления желчи в двенадцатиперстную кишку.
Поступление желчных кислот в кишечник замедляется, нарушается эмульгирование, а следовательно, переваривание и
всасывание продуктов гидролиза жиров и жирорастворимых витаминов, к которым относится витамин А. Все эти
вещества всасываются в составе смешанных мицелл, для формирования которых также необходимы желчные кислоты.
12
Витамин А участвует в восприятии света, при его гиповитаминозе в темноте ухудшается зрение (куриная слепота).
Таким образом можно объяснить связь между дискинезией желчного пузыря и ухудшением зрения в темноте.
11. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ. ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ - ОБЩИЙ ПУТЬ МЕТАБОЛИЗМА.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН.
ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ И ТРАНСПОРТНЫЕ СИСТЕМЫ
МИТОХОНДРИЙ.
Мормоны, проживающие в двух населенных пунктах США – Хилдале (штат Юта) и Колорадо-Сити (Аризона),
продолжают придерживаться полигамии и одобряют браки между близкими родственниками. Последнее
обстоятельство - причина высокого распространения в общине фумаровой ацидурии. Заболевание вызвано
дефицитом фумаразы. Основной биохимический признак заболевания – высокая экскреция с мочой фумаровой
кислоты, которая в десятки раз превышает контрольные значения. В моче больных детей в больших
количествах могут присутствовать и другие органические кислоты: α-кетоглутаровая, янтарная, лимонная,
иногда яблочная, в крови повышено содержание лактата и пирувата. Клинические проявления органических
ацидурий, как правило, неспецифичны и заключаются в задержке нервно-психического и двигательного
развития, судорожных пароксизмах, резистентных к назначаемым антиконвульсантам и дисметаболических
кризах, характеризующихся эпизодами летаргии и рвоты. Почему недостаточная активность этого фермента
приводит к таким клиническим проявлениям?
Для ответа:
а) представьте схему процесса с участием фумаразы;
б) опишите его роль в метаболизме клеток;
в) объясните причину повышения в крови больных уровня молочной, пировиноградной кислот,
представьте соответствующие схемы.
ОТВЕТ:
Рис. 21
а) Фумараза служит одним из ферментов цитратного цикла (цикла Кребса). Фермент класса лиаз катализирует
присоединение воды к молекуле фумаровой кислоты и образование продукта – яблочной кислоты.
б) Цикл Кребса – центральная часть общего пути катаболизма, циклический биохимический аэробный процесс, в
ходе которого происходит превращение двух- и трёхуглеродных соединений, образующихся как промежуточные
продукты при распаде углеводов, жиров и белков, до CO2. Освобожденный водород (протоны и электроны)
направляется в цепь тканевого дыхания, где участвует в активации окислительного фосфорилирования АДФ и в
дальнейшем включается в состав воды. Во всех клетках организма человека (кроме эритроцитов) основное значение
процесса – энергетическое. Недостаточность фумаразы снижает скорость этого процесса. Следовательно, все
клинические проявления органических ацидурий связаны с развитием гипоэнергетического состояния клеток тканей. в)
При дефиците фумаразы снижается скорость ЦТК и окисления ацетил-КоА в этом процессе. Ацетил-КоА служит
13
аллостерическим ингибитором пируватдекарбоксилазы (ПДК) и активатором киназы ПДК, которая фосфорилирует
пируватдекарбоксилазу и тормозит процесс.
Рис. 22 Регуляция активности ПДК
Рис. 23
У больных, страдающих фумаровой ацидурией, молекулы пирувата, не включенные в общий путь катаболизма
(ОПК), выходят в кровь, часть из них превращается в лактат, который тоже поступает в кровь. Присутствие в крови
больных α-кетоглутаровой, янтарной, лимонной, яблочной кислот изменяет рН крови и развивает ацидоз.
12. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН. ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ И ТРАНСПОРТНЫЕ СИСТЕМЫ
МИТОХОНДРИЙ. В результате обследования у больной установлена миома матки. Беседуя с пациенткой, врач
объяснил ей, что это самая распространенная доброкачественная опухоль и выявляется у 20–50% обследуемых.
Долгое время основным методом лечения была надвлагалищная ампутация и экстирпация матки. Однако такое
оперативное лечение нарушает репродуктивную функцию, нейроэндокринные процессы. В настоящее время
многим больным с миомой матки проводится эмболизация маточных артерий (ЭМА). В ходе операции
осуществляется избирательное закрытие сосудов миоматозного узла и перифиброидного сплетения, что приводит
к стойкой ишемии только самой миомы, практически не отражаясь на кровоснабжении непораженных участков
стенки матки. Прекращение кровотока по ветвям маточных артерий приводит к отмиранию клеткок миомы.
Объясните успешный результат этого метода лечения.
Для этого:
а) назовите основную причину происходящих изменений в клетках миомы;
б) опишите, какой обмен нарушается в клетках, к чему этот процесс приводит;
в) представьте схему процесса, функционирование которого возможно только при непосредственном
участии О2; назовите фермент осуществляющий окислительное фосфорилирование АДФ.
ОТВЕТ:
а) Проведение ЭМА вызывает гипоксию опухоли, т.е. недостаточность поступления кислорода в клетки миомы.
б) Нарушается энергетический обмен, приводящий к недостаточному синтезу АТФ в клетках миомы.
14
Рис. 24
I – NADH-дегидрогеназа; II – сукцинатдегидрогеназа; III – QH2 – дегидрогеназа; IV – цитохромоксидаза; V – ATPсинтаза
В тесной зависимости от внутриклеточного содержания АТФ находится способность клеток поддерживать
специфические для нее энергозависимые функции (электрогенную, нейромедиаторную, рецепторную, сократительную,
транспорт ионов и трансмембранные потенциалы, синтетические процессы и др.). При снижении внутриклеточного
содержания уровня АТФ всего на 15–20% интенсивность всех энергозависимых функций клетки падает на 75–80% от
исходной величины, из-за чего сильно нарушаются функции клеток миомы. Совокупность нарушений приводит некрозу
– омертвлению клеток миомы без способности к восстановлению.
в) Окислительное фосфорилирование АДФ осуществляет фермент АТФ-синтаза.
13. ОБМЕН УГЛЕВОДОВ. СИНТЕЗ И РАСПАД ГЛИКОГЕНА. Ранее в медицинской практике использовался
диэтиловый эфир для наркоза. При эфирном наркозе возбуждаются симпатические центры, адреналин из
мозгового слоя надпочечников поступает в кровь. Почему такой наркоз ухудшал состояние пациентов,
страдающих заболеваниями, сопровождающимися увеличением уровня глюкозы в крови?
Для этого:
а) назовите норму глюкозы в крови;
б) укажите источники глюкозы в крови;
в) объясните механизм действия адреналина в той ткани, которая обеспечивает сохранение нормального
уровня глюкозы в крови при стрессе и кратковременном голодании (не более суток);
г) представьте схему метаболического пути, ускорение которого приведет к повышению уровня глюкозы в
крови у пациентов при использовании такого наркоза.
ОТВЕТ:
а) Концентрация глюкозы в крови в норме поддерживается на уровне
3,3–5,5 ммоль/л (60–100 мг/дл).
б) Пища, содержащая углеводы; мобилизация гликогена в печени; глюконеогенез в печени из лактата, глицерола,
аминокислот.
в) В печени адреналин может передавать сигнал через α1- и β2-адренорецепторы.
15
Рис. 25 Передача гормонального сигнала через β2-адренорецептор и аденилатциклазную систему в печени
Рис. 26 Передача гормонального сигнала через α1-адренорецептор и инозитолфосфатную систему в печени
г)
16
Рис. 27
Таким образом, эфирный наркоз, увеличивая секрецию адреналина и, соответственно, мобилизацию гликогена,
повышает уровень глюкозы в крови у пациентов.
14. ОБМЕН УГЛЕВОДОВ. СИНТЕЗ И РАСПАД ГЛИКОГЕНА. Гинекологи при обследовании больных с
подозрением на рак шейки матки использовали пробу Шиллера – раствор Люголя, в состав которого входит йод.
Проба проводится нанесением раствора Люголя на поверхность эпителия. Нормальные зрелые клетки
поверхностного эпителия шейки матки, богатые гликогеном, окрашиваются раствором Люголя в темнокоричневый цвет, а патологически измененные, лишенные гликогена – нет. В норме у женщин в этих клетках
содержится много гликогена, а в раковых клетках его количество резко уменьшено. Снижение содержания
гликогена в клетках может быть использовано как один из показателей злокачественного перерождения ткани.
Результат пробы врача оказался положительным.
Объясните наблюдаемые явления.
Для этого:
а) напишите схему, показывающую синтез гликогена в нормальных клетках;
б) сравните выход АТФ при аэробном и анаэробном гликолизе;
в) объясните, почему в опухолевых клетках запасов гликогена практически нет.
ОТВЕТ:
а)
17
Рис. 28 Схема синтеза гликогена
б) Анаэробный и аэробный гликолиз энергетически неравноценны. При аэробном гликолизе образуется 8 моль
АТФ, а суммарный энергетический эффект аэробного распада глюкозы до конечных продуктов теоретически составляет
38 моль АТР. Анаэробный гликолиз менее эффективен: образуется только 2 моль АТР способом субстратного
фосфорилирования.
18
Рис. 29 Гликолиз и окисление пирувата
19
в) Опухолевые клетки быстро пролиферируют, в них идет активный синтез нуклеиновых кислот и других
компонентов клеток, что требует большого количества энергии. Однако способ синтеза АТФ в этих клетках
неэффективный, т.к. идет анаэробный гликолиз из-за нарушения структур митохондрий и недостаточного снабжения
опухолевых клеток кислородом вследствие того, что кровеносные сосуды прорастают в опухолевые клетки медленно,
что приводит к гипоксии. Поглощение раковой клеткой большего количества глюкозы (за счет переключения на
анаэробный гликолиз) называется «эффект Варбурга».
Таким образом, чтобы покрыть энергетические потребности, раковые клетки потребляют много глюкозы,
окисляют ее в основном анаэробным гликолизом и, соответственно, она в этих условиях ее недостаточно для синтеза
гликогена.
15. БИОХИМИЯ МЕЖКЛЕТОЧНОГО МАТРИКСА. БИОХИМИЯ СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ ТКАНИ. К врачу
обратилась молодая женщина, сделавшея прокол ушных раковин . На мочке уха образовался массивный
келоидный рубец. Повышение скорости синтеза какого белка соединительной ткани к этому привело?
Для ответа на вопрос:
а) представьте схемы этапов синтеза и созревания этого белка;
б) напишите схемы реакций, протекающих с участием Cu2+-зависимых ферментов;
в) объясните значения производных этих реакций в формировании структуры этого белка.
ОТВЕТЫ:
а) Увеличение скорости синтеза коллагена способствует развитию спаек. Коллаген состоит из 1000
аминокислотных остатков. Каждая 3-я аминокислота – глицин, 20% – пролин и гидроксипролин, 10% – аланин, 40% –
другие.
Синтез и созревание коллагена – сложный многоэтапный процесс, начинающийся в клетке, а завершающийся в
межклеточном матриксе.
Рис. 30 Синтез и созревание коллагена
Синтез и созревание коллагена включают в себя пострансляционные изменения:
• гидроксилирование пролина и лизина с образованием гидроксипролина и гидроксилизина;
• гликозилирование гидроксилизина;
• частичный протеолиз – отщепление «сигнального пептида», N- и C-концевых пропептидов;
• образование тройной спирали.
20
б)
Рис. 31
в) Фермент – лизилоксидаза. Кофакторы – Сu2+, витамин PP и B6.
При снижении активности лизилоксидазы, а также при недостатке меди или витаминов PP или B6 нарушается
образование поперечных сшивок и, как следствие, снижаются прочность и упругость коллагеновых волокон.
16. ЛИПИДЫ: ПЕРЕВАРИВАНИЕ И ВСАСЫВАНИЕ. ДИСЛИПОПРОТЕИНЕМИИ. ГИПЕРЛИПОПРОТЕИНЕМИИ.
Наиболее частая причина рахита в Северной Америке, Канаде, Австралии и европейских странах заключается в
снижении метаболической активности слизистой оболочкой тонкой кишки, вызванном наследственной
недостаточностью ферментов обмена липидов. Обследование таких больных показало, что после приема пищи,
содержащей жиры, у них не наблюдается алиментарная гипертриацилглицеролемия.
Объясните механизм развития рахита при данной патологии.
Для ответа:
а) укажите, содержание каких липопротеинов (ЛП) повышается в крови здорового человека после приема
пищи, содержащей жиры; опишите строение и состав этих ЛП, назовите место их формирования;
б) представьте схему «созревания» ЛП и их дальнейшие превращения;
в) назовите основную функцию этих ЛП; объясните механизм доставки и метаболизм переносимых
веществ;
г) опишите нарушения, происходящие в клетках кишечника при данной патологии.
ОТВЕТ:
а) В крови здорового человека, после приема пищи, содержащей жиры, повышается содержание хиломикронов
(ХМ). ХМ, как и все ЛП, имеют следующее строение: гидрофобное ядро и полярный слой на поверхности. В состав
гидрофобного ядра входят липиды: эфиры холестерола и триацилглицеролы (ТАГ) (до 85%) и содержащиеся в пище
жирорастворимые витамины А, D, Е, К. Полярный слой образован белками (апопротеинами), фосфолипидами и
холестеролом. В состав ХМ входит интегральный апопротеин В-48. Хиломикроны образуются в эпителии тонкого
кишечника, поступают в лимфу, а затем в кровь.
21
Рис. 32 Строение хиломикрона
б) В крови «созревают» ХМ, этот процесс заключается в переносе с липопротеинов высокой плотности (ЛПВП) на
ХМ апопротеинов Е и С-II;
Рис. 33 Созревание» хиломикронов
Образование ХМ остаточных происходит под действием липопротеинлипазы (расположена на стенках
капилляров), в результате чего количество жиров в ХМ снижается, уменьшается размер частиц, апопротеин С-II
переносится обратно на ЛПВП. ХМ остаточные содержат фосфолипиды, холестерол, эфиры холестерола,
жирорастворимые витамины А, Д, Е, К, апоВ-48, апоЕ и очень небольшое количество ТАГ.
Рис. 34 Образование хиломикронов остаточных
в) Основная функция хиломикронов состоит в транспорте экзогенных липидов и других жирорастворимых
веществ из клеток кишечника в ткани. ХМост эндоцитозом захватываются гепатоцитами, образованная эндосома
сливается с лизосомой, ферменты которой гидролизуют липиды и белки. Витамин D в печени превращается в в 25гидроксихолекальциферол, который в комплексе с белком транспортируется в почки, где образуется гормон
кальцитриол. Гормон также может синтезироваться из витамина D, который образуется из холестерола в коже.
Кальцитриол регулирует всасывание пищевого кальция, который участвует в построении костной ткани. При
нарушении переваривания липидов в ЖКТ нарушается всасывание витамина D, кальция, минерализация костной ткани
и развивается рахит.
г) Наследственный дефект ферментов, обеспечивающих ресинтез и синтез липидов в клетках слизистой оболочки
кишечника, нарушает формирование хиломикронов, а значит, и поступление в кровь жирорастворимых витаминов А, D,
Е и К.
17. ОБМЕН ЛИПИДОВ. АНАБОЛИЗМ ЛИПИДОВ. В послеродовом отделении обследован ребенок с признаками
застойной сердечной недостаточности. У младенца наблюдались тахипноэ (более 60 дыхательных движений в
минуту) и тахикардия (более 180 ударов в минуту). Причиной данной сердечной недостаточности явилось такое
заболевание, как незаращение артериального (боталлова) протока.
22
В течение внутриутробного периода сохранность открытого просвета артериального протока поддерживает
PGE2. После рождения просвет артериального протока в норме зарастает или значительно уменьшается. В
данной ситуации этого не произошло, потому что у ребенка в сердечной ткани была повышена секреция PGE2.
Врач назначил лечение индометацином и получил положительный эффект: состояние больного улучшилось,
симптомы заболевания уменьшились, боталлов проток стал уменьшаться в размерах.
Объясните молекулярные механизмы действия PGE2 и лечебного эффекта индометацина в данном
клиническом случае.
Для этого:
а) назовите группу регуляторных молекул, к которой относятся простагландины;
б) укажите примеры исходных субстратов для их синтеза;
в) изложите, через какие трансмембранные системы передачи сигналов эйкозаноиды действуют на клеткимишени и напишите схему одной из них;
г) назовите основные функции и место действия PGE2;
д) объясните, как можно ускорить процесс закрытия просвета артериального протока с помощью
индометацина, относящегося к классу нестероидных противовоспалительных средств. На схеме синтеза
простагландинов покажите фермент, активность которого подавляется индометацином.
ОТВЕТ:
а) Эйкозаноиды.
б) Субстратами для синтеза эйкозаноидов будут служить полиненасыщенные жирные кислоты с 20 углеродными
атомами, такие, как:
Рис. 36
в) Эйкозаноиды действуют на клетки-мишени с помощью модуляции аденилатциклазной, гуанилатциклазной и
инозитолфосфатной систем.
Рис. 37. Инозитолфосфатная система
23
г) PGE2 действуют на большинство тканей. Основными биологическими эффектами следует считать инициацию
родовой активности, ингибирование агрегации тромбоцитов, расширение сосудов, расслабление гладкой мускулатуры.
В данном клиническом случае высокая концентрация PGE2 в сердечной ткани благодаря своим свойствам не позволяет
зарасти артериальному протоку, что должно произойти в норме. Для того чтобы ускорить процесс закрытия протока,
необходимо ингибировать синтез PGE2.
д) Для того чтобы уменьшить синтез PGE2, нужно ингибировать регуляторный фермент синтеза эйкозаноидов –
циклооксигеназу с помощью индометацина, что должно привести к зарастанию боталлова протока.
Рис. 38
18. ОБМЕН ЛИПИДОВ. Анаболизм липидов. К чему может привести диета, суть которой в том, что
необходимо резко ограничить поступление углеводов с пищей (не более 15 г в день), а жиры и белки можно есть
свободно (в разумных количествах). Объясните, почему при столь обильном потреблении жиров человек
сбрасывает вес? Каковы возможны негативные последствия такой диеты?
Для ответа:
а) объясните, как повлияет диета на синтез инсулина и почему;
б) изобразите схему синтеза и гидролиза ТАГ в жировой ткани. Покажите на схеме, какие процессы
усиливаются и подавляются у человека, сидящего на такой диете;
в) укажите, концентрация каких липопротеинов повысится в крови при этой диете;
г) напишите реакции синтеза кетоновых тел в печени и укажите, как изменится скорость этого
метаболического пути у человека, придерживающегося «кремлевской» диеты; объясните, к каким негативным
последствиям может привести подобная диета.
ОТВЕТ:
а) У человека, придерживающегося такой диеты, резко снижено потребление углеводов с пищей, в результате чего
не наступает алиментарная гипергликемия. Глюкоза – важнейший (хотя и не единственным) фактор, стимулирующий
синтез и секрецию инсулина β-клетками поджелудочной железы. Проникая в β-клетки, глюкоза подвергается процессу
гликолиза, благодаря чему увеличивается внутриклеточное содержание АТФ. Последний, блокируя АТФ-зависимые
калиевые каналы, вызывает деполяризацию клеточной мембраны. В β-клетки поступают ионы кальция (через
открывающийся потенциал-зависимые кальциевые каналы) и высвобождается инсулин способом экзоцитоза. Белок
ГЛЮТ-2, переносящий глюкозу в β-клетки поджелудочной железы, имеет низкое сродство к глюкозе. Следовательно,
при «кремлевской» диете, когда концентрация глюкозы в крови невысока, она медленно транспортируется в β-клетки и
слабо влияет на секрецию инсулина. Секреция инсулина снижается.
б) (см. рис. 39)
24
в) Низкая секреция инсулина ослабляет синтез ЛП-липазы, что увеличивает содержание ЛПОНП и ХМ в крови.
Жиры не депонируются в жировой ткани, а поступают в печень, где частично превращаются в ТАГ, транспортируемые
из печени в составе ЛПОНП.
г) Активация липолиза в жировой ткани приводит к тому, что жирные кислоты поступают в печень в большем
количестве, чем в норме, поэтому увеличивается скорость β-окисления. Скорость реакций ЦТК в этих условиях
снижена, т.к. оксалоацетат используется для глюконеогенеза. В результате скорость образования ацетил-КоА превышает
способность ЦТК окислять его. Ацетил-КоА накапливается в митохондриях печени и используется для синтеза
кетоновых тел (см. рис. 40).
Увеличение скорости синтеза кетоновых тел резко повышает их содержание в крови – кетонемия и развитие
метаболического ацидоза. Его симптомами бывают быстрая утомляемость, раздражимость, боли в желудке, тошнота.
Рис. 39 Изменение скорости метаболических процессов в жировой ткани при низкой секреции инсулина
25
Рис. 40 Синтез кетоновых тел в печени
19. АНАБОЛИЗМ ЛИПИДОВ. БИОХИМИЯ АТЕРОСКЛЕРОЗА. ВИТАМИНЫ Достаточное
потребление аскорбиновой кислоты с пищей крайне важно для борьбы с атеросклерозом. Так, у морских свинок,
рацион которых не содержал этого витамина, наблюдались гиперхолестеролемия и атеросклероз.
Объясните влияние недостатка витамина С на атерогенез. Какие еще симптомы наблюдаются при
недостатке витамина С в пище?
Для ответа:
а) изложите, почему для описанного эксперимента выбрали морских свинок, а не лабораторных мышей;
б) опишите пути образования активных форм кислорода и их роль в ПОЛ и последствия ПОЛ
жирнокислотных радикалов фосфолипидов, триацилглицеролов, эфиров холестерола в составе ЛПНП; назовите
витамины, обладающие свойствами антиоксидантов и предотвращающие этот процесс;
в) напишите реакции синтеза желчных кислот; укажите роль витамина С в этом процессе, объясните, как
отразится его недостаток на уровне холестерола в крови.
ОТВЕТ:
а) Характерная особенность метаболизма приматов (в том числе и человека) и морских свинок заключается в
отсутствии возможности эндогенного синтеза витамина С, поэтому для этих животных аскорбиновая кислота –
необходимый компонент пищи.
б) Источником активных форм кислорода в клетке может служить утечка электронов из ЦПЭ, ферменты
окислительно-восстановительных реакций (ОВР), непосредственно восстанавливающие кислород, а также действие
ионизирующих излучений и некоторых химических веществ. Радикалы кислорода способны запускать цепь
свободнорадикальных реакций. Подобные реакции нарушают свойства мембран и образуют ковалентные сшивки между
белками и липидами. В липопротеинах (ЛП) наблюдаются изменения в структуре апопротеинов и липидов, что
нарушает их связывание с рецепторами и вызывает фагоцитоз макрофагами с помощью скевенджер-рецепторов.
Витамины-антиоксиданты (С и Е) защищают клетки от ПОЛ. Причем витамин Е, будучи липофильным
соединением, располагается в мембранах клеток и служит основным восстановителем свободных радикалов жирных
кислот. Витамин С инактивирует гидрофильные (супероксид-анион, гидроксильный радикал и перекись водорода)
свободные радикалов в цитозоле и восстанавливает окисленную форму витамина Е, поддерживая таким образом
необходимую концентрацию последнего в мембранах клеток.
в) В реакциях синтеза желчных кислот витамин С представляет собой кофермент гидроксилаз (они служат
изоформами цитохрома Р-450), осуществляющих введение ОН-группы в 7-е и 12-е положение. При недостатке витамина
С образование желчных кислот на стадии 7α-гидроксилирования тормозится, блокируя основной путь выведения
холестерола из организма, что приводит к гиперхолестеролемии и увеличению риска атеросклероза. Кроме того,
повышается вероятность образования желчных камней.
26
Рис. 41 Синтез желчных кислот в печени
21. ВИТАМИНЫ. ОБМЕН БЕЛКОВ И АМИНОКИСЛОТ. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ПУТИ ОБМЕНА НЕКОТОРЫХ
АМИНОКИСЛОТ. ОБМЕН НУКЛЕОПРОТЕИДОВ. Женщина обратилась к стоматологу по поводу часто
возникающих воспалений и язвочек в области десен. Женщина тщательно соблюдала гигиену полости рта и не
имела признаков кариеса. Врач связал возникновение стоматита с недостатком витамина В 2 и посоветовал
пациентке употреблять больше молочных продуктов – основных источников рибофлавина.Через некоторое
время пациентка снова обратилась к врачу с жалобой на учащения обострений стоматита, хотя она соблюдала
все рекомендации врача. При беседе с пациенткой врач узнал, что она страдает бессонницей и употребляет
барбитураты. Анализ крови больной показал высокое содержание гомоцистеина. Врач назначил больной
препарат, содержащий фолиевую кислоту (ФК) и В 12, т.к. пришел к заключению, что причиной частых
обострений стоматита у пациентки может быть прием барбитуратов, которые снижают абсорбцию и метаболизм
фолатов в организме. Почему повышение содержания гомоцистеина в крови больной и недостаток фолиевой
приводят к стоматиту?
Для ответа:
а) опишите метаболизм фолиевой кислоты в организме человека;
б) представьте схему обмена гомоцистеина, укажите скорость какой из реакций снижается при недостатке ФК;
в) объясните, почему недостаток ФК нарушает метаболизм в клетках эпителия ротовой полости;
г) назовите другие возможные нарушения, вызванные дефицитом фолиевой кислоты в организме.
ОТВЕТ:
а) В печени фолиевая кислота превращается в кофермент Н4-фолат, который участвует в превращениях серина и
глицина. В ходе этих реакций образуется метилен-Н4-фолат, который может превращаться в другие одноуглеродные
группы: метенильную, формильную, метильную. Эти одноуглеродные фрагменты используются для синтеза пуриновых
и пиримидиновых (дТТФ) нуклеотидов, которые необходимы для деления клеток и роста тканей.
б)
27
Рис. 43
Рис. 44
При недостатке фолиевой кислоты снижается регенерация метионина, т.к. донором метильной группы в этой
реакции служит В12(-СН3), который образуется при переносе метильной группы с Н4Ф(-СН3) на В12.
в) Клетки эпителия обладают высокой митотической активностью, поэтому они постоянно нуждаются в наличии
нуклеотидов для синтеза нуклеиновых кислот. Недостаток фолата нарушает синтез ДНК и РНК, что проявляется
поражением слизистой желудочно-кишечного тракта.
г) Как известно, фенобарбитал – широко применяемое снотворное, антагонист фолиевой кислоты, недостаток
которой в организме вызывает нарушения, в частности воспаление органов пищеварительной системы. Дефицит
фолиевой кислоты во время беременности существенно повышает риск возникновения врожденных пороков у ребенка,
связанных с дефектами невральной трубки, а также может привести к гипотрофии и недоношенности. Наиболее опасна
лейкоцито- и тромбоцитопения.
22. ОБМЕН БЕЛКОВ И АМИНОКИСЛОТ. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ПУТИ ОБМЕНА НЕКОТОРЫХ АМИНОКИСЛОТ.
Болезнь Хартнупа – наследственная ферментопатия обмена триптофана. Заболевание вызвано дефектом в
структуре переносчика аминокислот щеточной каемки тощей кишки и нарушением реабсорбции триптофана и
продуктов его обмена в почках. Патология проявляется мозжечковой атаксией, пеллагроподобными
изменениями кожи, аминоацидурией, повышенным содержанием в моче индикана и индольных соединений. У
больного возникает недостаток триптофана в организме и нарушается образование из него биогенного амина и
одного из витаминов.
28
Рис. 45 Образование некоторых биологически активных веществ из триптофана
Какие жизненно важные процессы нарушаются при данном заболевании?
Для ответа:
а) напишите схему синтеза серотонина и укажите, предшественником какого гормона он считается;
б) назовите витамин, который образуется из триптофана;
в) вспомните, в состав какого кофермента он входит;
г) приведите пример ферментов, для работы которых необходим этот кофермент.
ОТВЕТ:
а) Серотонин – биологически активное вещество широкого спектра действия. Он стимулирует сокращение гладкой
мускулатуры, оказывает сосудосуживающий эффект, регулирует АД, температуру тела, дыхание, обладает
антидепрессантным действием. Мелатонин – гормон, регулирующий суточные сезонные изменения метаболизма
организма и участвующий в регуляции репродуктивной функции; регулирует состояния сон / бодрствование.
Рис. 46 Образование серотонина и мелатонина из триптофана
б) Из триптофана синтезируется никотиновая кислота (витамин РР);
в) Из этого витамина образуется NAD+. Для его синтеза ферменты, находящиеся в цитозоле, используют
никотиновую кислоту по следующей схеме: никотинат -> никотинат-мононуклеотид (NMN) -> дезамидо-NAD+ ->
NAD+;
Рис. 47
г) Примеры NAD+-зависимых дегидрогеназ:
1. лактат-дегидрогеназа
2. дигидролипоат-дегидрогеназа (пируват/α-кетоглутарат-дегидрогеназный комплекс)
3. изоцитрат-дегидрогеназа, малат-дегидрогеназа (цикл Кребса)
4. β-гидроксибутират-дегидрогеназа (β-окисление жирных кислот)
5. глутамат-дегидрогеназа (прямое и непрямое дезаминирование после трансаминирования)
6. алкоголь-дегидрогеназа (метаболизм этилового спирта)
7. глицерол-3-фосфат-дегидрогеназа (глицеролфосфатный NADH-переносящий челнок, глюконеогенез из глицерола,
синтез глицерола)
23. ОБМЕН БЕЛКОВ И АМИНОКИСЛОТ. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ПУТИ ОБМЕНА НЕКОТОРЫХ АМИНОКИСЛОТ.
ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ АММИАКА. Повышенная экскреция двух основных аминокислот известна под названием
«лизинурическая непереносимость белка», наследуется как аутосомный рецессивный признак. У гомозигот
нарушен транспорт лизина, аргинина в кишечнике, реабсорбция в почках, захват этих веществ, клетками
29
печени. В крови больных снижена концентрация лизина, аргинина и орнитина, в раннем возрасте у них
отмечаются гепатоспленомегалия, непереносимость белка и эпизодическая интоксикация аммонием.
Клинические проявления выхваны гипераммониемией. Для лечения этого заболевания используют цитруллин –
нейтральную аминокислоту, всасывание в кишечнике и печеночный транспорт которой у больных не нарушены.
Почему у этих больных наблюдается гипераммониемия?
Для ответа:
а) напишите схему процесса, нарушение которого развивает гипераммониемию;
б) опишите токсическое действие аммиака;
в) объясните механизм лечебного действия цитруллина; какую диету, помимо лечения цитруллином, врач
должен рекомендовать больному при такой патологии.
ОТВЕТ:
а) Гипераммониемия может развиваться из-за недостаточного количества аргинина и орнитина, необходимых для
нормального функционирования орнитинового цикла.
Рис. 48
б) ↓ V орнитинового цикла
↑ конц NН3 в клетках печени
NН3 выходит в кровь
NН3 проходит в любые клетки (также клетки мозга)
в клетках NН3 + Н+ → NН4+
↑ рН в клетках (алкалоз)
в клетках ↑ V реакций:
1) восстановительного аминирования 2) образование глутамина
α-кГ+NH3 + NADН+Н+ → Глу +NАD+ Глу + NН3 + АТФ → Глн
это приводит к:
↓ концентрации:
α -кГ, Глу, NН3
30
Это нарушает:
• функционирование Nа+,К+-АТФазы;
• энергетический обмен в клетках;
• обмен аминокислот;
• синтез ГАМК;
• выведение Глн и накопление его в клетках.
в) Метаболизм цитруллина обеспечивает процесс аргинином и орнитином, что снижает концентрацию аммиака в
крови. На фоне перорального приема цитруллина необходимо ограничить количество белков в пище.
24. ОБМЕН БЕЛКОВ И АМИНОКИСЛОТ. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ПУТИ ОБМЕНА НЕКОТОРЫХ АМИНОКИСЛОТ.
Исследованиями установлено, что накопление гомоцистеина – независимый фактор риска сердечно-сосудистых
заболеваний – инфаркта миокарда, инсульта, венозной тромбоэмболии и атеросклероза. SH-группа гомоцистеина
легко подвергается процессу перекисного окисления, что повреждает стенки сосудов. На поврежденную
поверхность осаждаются «пенистые клетки», содержащие большое количество холестерола, начинают
образовываться атеросклеротические бляшки. Кроме того, гомоцистеин тормозит работу противосвертывающей
системы, что нарушает свертываемость крови. В норме содержание гомоцистеина в плазме крови составляет 5–
15 мкмоль/л. При увеличении уровня гомоцистеина в плазме на 2,5 мкмоль/л риск инфаркта миокарда
возрастает на 10%. Учитывая данные свойства гомоцистеина, его накопление в крови – одно из звеньев
патогенеза ранней тромбоваскулярной болезни. При наличии ее увеличивается риск развития тромбозов, что в
дальнейшем развивает инфаркты и инсульты.
Объясните особенности метаболизма гомоцистеина в организме и молекулярный механизм его
последующего накопления в крови.
Для ответа:
а) напишите формулу гомоцистеина;
б) укажите, какую роль гомоцистеин играет в обмене других аминокислот; приведите формулы этих
аминокислот;
в) нарисуйте схемы основных путей образования и катаболизма гомоцистеина;
г) назовите ферменты, которые участвуют в его утилизации, и коферменты;
д) изложите, дефицит каких витаминов – наиболее частая причина гипергомоцистеинемии.
ОТВЕТ:
а)
Рис. 49 Гомоцистеин
б) Гомоцистеин – промежуточная аминокислота в обмене серосодержащих аминокислот. Он превращается в
метионин под действием гомоцистеин-метилтрансферазы, таким образом непосредственно участвуя в регенерации
метионина. Может использоваться для синтеза цистеина.
Рис. 50 Метионин
31
Рис. 51 Цистеин
в)
Рис. 52
г)
Метионинсинтаза
(гомоцистеин-метилтрансфераза),
цистатионин-синтаза.
Метилкобаламин,
N5метилтетрагидрофолат, пиридоксальфосфат.
д) Для того чтобы утилизировать гомоцистеин и предотвратить гипергомоцистеинемию, необходимо постоянное
поступление с пищей фолиевой кислоты, поскольку ее производное метил-Н4-фолат участвует в реакции превращения
гомоцистеина в метионин. В этой реакции метил-Н4-фолат передает метильную группу на кобаламин (витамин В12),
метилкобаламин непосредственно участвует в регенерации метионина. Гомоцистеин также используется для синтеза
цистеина. Реакции синтеза происходят при участии пиридоксальфосфата – кофермента витамина В6.
25. ОБМЕН НУКЛЕПРОТЕИДОВ. ОБМЕН ПУРИНОВЫХ НУКЛЕОТИДОВ. В произведении Я. Гашека
«Похождение бравого солдата Швейка» приведено описание приступа острого подагрического артрита:
«Полковник Гербих, сидевший до сих пор спокойно и деловито за столом, вдруг сделал страшную гримасу, ибо
его палец, который до сих пор вел себя смирно, из тихого и спокойного агнца превратился в ревущего тигра, в
электрический ток в шестьсот вольт, в палец, каждую косточку которого молот медленно дробит в щебень.
Палец полковника неожиданно опять превратился в агнца, приступ подагры прошел...»
Объясните причину столь острой боли в пальце у полковника.
Для этого:
а) укажите механизмы развития первичной подагры, ее отличие от вторичной;
б) назовите, изменение активности каких ферментов обмена нуклеотидов и углеводов развивает первичную
подагру; напишите реакции, катализируемые этими ферментами;
в) представьте схему образования продукта, накопление которого вызывает клинические проявления
заболевания.
32
ОТВЕТ:
а) Болезнь квалифицируют как первичную подагру, если в ее основе лежат врожденные нарушения синтеза
мочевой кислоты, т.е. гиперурикемия, вызванная наследственным увеличением синтеза пуринов.
Вторичная подагра возникает, если гиперурикемия развивается в результате другого патологического процесса,
например усиленного распада лимфоидных клеток при лейкозе и лимфоме, при применении цитостатиков, а также
подагра может быть следствием недостаточности естественных механизмов выведения мочевой кислоты почками.
б) Суперактивация фермента синтеза пуриновых нуклеотидов de novo – ФРДФ-синтетазы приводит к чрезмерному
синтезу пуриновых нуклеотидов, усилению катаболизма избыточного количества нуклеотидов, повышению продукции
мочевой кислоты, гиперурикемии и подагре.
Рис. 53 (ФРДФ)
Недостаточность фермента «запасного пути» синтеза пуриновых нуклеотидов – гипоксантингуанинфосфорибозил-трансферазы – с одной стороны, уменьшает повторное использование пуриновых оснований, и
они превращаются в мочевую кислоту, а с другой, увеличивает синтез пуриновых нуклеотидов de novo из-за слабого
использования ФРДФ в реакциях реутилизации и увеличения его концентрации в клетке. Следовательно, гуаниловые
нуклеотиды образуются в количествах, превышающих потребности клеток, что способствует усилению их катаболизма.
Рис. 54
Недостаточность глюкозо-6-фосфотазы приводит к снижению способности печени секретировать глюкозу в кровь,
что увеличивает использование глюкозо-6-фосфата в пентозофосфатном пути. Образуются большие количества рибозо5-фосфата, которые стимулируют избыточный синтез, а следовательно, и катаболизм пуриновых нуклеотидов, в
результате чего увеличивается образование мочевой кислоты и развивается подагра.
Рис. 55
в) Клинические проявления заболевания – моносуставной артрит и нефропатия вызваны накоплением плохо
растворимых кристаллов мочевой кислоты и ее солей в суставных хрящах, синовиальной оболочке, подкожной
клетчатке, почках. Мочевая кислота – конечный продукт катаболизма пуринов.
33
Рис. 56 1 – нуклеотидаза или фосфатаза; 2 – аденозиндезаминаза; 3 – пуриннуклеозидфосфорилаза; 4 – гуаназа; 5 –
ксантиноксидаза
Причиной воспаления и боли в мелких суставах, особенно в суставе большого пальца стопы заключается в
образовании натриевой соли мочевой кислоты, которая из-за плохой растворимости образует кристаллы, фагоцитируясь
лейкоцитами, эти кристаллы разрушают лизосомальных мембран лейкоцитов. Освободившиеся лизосомальные
ферменты выходят в цитозоль и разрушают клетки, а продукты клеточного катаболизма вызывают воспаление.
26. ГОРМОНЫ. РЕГУЛЯЦИЯ ОБМЕНА КАЛЬЦИЯ И ФОСФОРА. ВИТАМИНЫ. Синдром Фанкони – заболевание,
поражающее проксимальные извитые канальцы нефронов; может быть наследственным или приобретенным,
чаще встречается у детей. Основной симптом выражается в выделении мочи, содержащей большое количество
различных аминокислот, глюкозы и фосфатов (несмотря на то, что содержание в крови этих веществ остается
нормальным). У больных детей развивается рахит.
Почему нарушается минерализация растущих костей и развивается рахит? Как у детей поддерживается
нормальная концентрация фосфатов в крови?
Для ответа:
а) укажите гормоны, которые регулируют обмен фосфатов и кальция в организме;
б) объясните, каким образом у больных детей поддерживается нормальная концентрация фосфатов;
в) назовите гормон, синтез и секреция которого повышены у больного ребенка; представьте схему его
образования;
г) опишите механизм действия гормона и развитие данной патологии.
ОТВЕТ:
а) Гормоны, регулирующие обмен кальция и фосфатов в организме – это паратгормон, кальцитриол и
кальцитонин. Паратгормон в почках индуцирует синтез 1α-гидроксилазы (фермента, ускоряющего последнюю реакцию
образования 1,25-(ОН)2D3). На рис. 58 показаны органы-мишени для паратгормона.
б) Нормальная концентрация фосфатов в крови поддерживается за счет снижения скорости минерализации
(построения гидроксиапатитов) растущих костей ребенка.
34
Рис. 57 Органы-мишени для паратгормона
ГАП – гидроксиапатит
в) У больного ребенка будут повышены синтез и секреция кальцитриола. В норме фосфаты ингибируют фермент
1α-гидроксилазу, который регуляторен, но при фосфатурии проявляет повышенную активность.
Рис. 58
г) Кальцитриол усиливает выведение кальция из костей и снижает минерализацию костной ткани, развивает у
ребенка рахит.
35
27. ОБМЕН УГЛЕВОДОВ. ГЛЮКОЗА КРОВИ. ПАТОХИМИЯ САХАРНОГО ДИАБЕТА. Врач
предписал больному, у которого наблюдались начальные симптомы развития сахарного диабета II- го типа,
регулярные физические нагрузки. Это назначение основано на результатах исследований последних лет, которые
показали, что такие нагрузки увеличивают количество белков ГЛЮТ-4 в клетках инсулинозависимых тканей,
стимулируя экспрессию гена ГЛЮТ-4. В результате захват глюкозы этими клетками увеличивается в 7 раз,
(исследования показали, что физические нагрузки оказывают такой же конечный эффект на клетки
инсулинозависимых тканей, как и действие инсулина).
Объясните молекулярные механизмы действия инсулина у здоровых людей, влияние физических нагрузок
на уменьшение симптомов сахарного диабета II-го типа и замедление развития его осложнений.
Для этого:
а) назовите инсулинозависимые ткани и объясните, почему они так называются;
б) объясните, что такое ГЛЮТ-4 и какова его функция; опишите роль инсулина в активации этих белков;
в) изобразите общую схему регуляции экспрессии гена эукариот;
г) объясните, как инсулин может повлиять на скорость экспрессии генов.
ОТВЕТ:
а) К инсулинозависимым тканям относятся мышечная и жировая ткани. Инсулинозависимые ткани – те, в которых
белки-переносчики глюкозы через мембраны внутрь клеток – ГЛЮТ-4.
б) Существует 5 типов ГЛЮТов, которые локализованы в разных тканях. ГЛЮТ-4 – главный переносчик глюкозы
в клетки мышц и жировой ткани. ГЛЮТ-4 в отсутствии инсулина находится в цитозоле клеток, но при его действии на
рецепторы клеток ГЛЮТ-4 встраиваются в мембраны и начинают переносить глюкозу внутрь клеток, таким образом
инсулин активирует ГЛЮТ-4. Биологическая роль этого типа ГЛЮТов заключается в том, что инсулинозависимые
ткани захватывают глюкозу только в абсорбтивном периоде.
в)
Рис. 60 Регуляция экспрессии генов у эукариот
г) Гормоны действуют как индукторы или корепресоры на регуляторную область генов, влияя тем самым на
скорость транскрипции и, следовательно, трансляции белков. Инсулин и, как оказалось, физические нагрузки через
неизвестные пока молекулярные механизмы, вызывают индукцию синтеза ГЛЮТ-4. Инсулин влияет на ген сложным
путем, через каскад реакций фосфорилирования белков (см. рис. 27), но конечный ответ клетки выражается
увеличением синтеза ГЛЮТ-4 и скорости их встраивания в мембраны клеток.
Физические нагрузки также индуцируют синтез ГЛЮТ-4, что увеличивает их количество в клетках. Захват
глюкозы клетками инсулинозависимых тканей усиливается, понижается концентрация глюкозы в крови. В результате
снижается риск развития осложнений сахарного диабета, связанных с длительным повышением концентрации глюкозы
в крови (снижается «глюкозотоксичный эффект», связанный с гликозилированием белков).
36
Рис. 61 Влияние инсулина на синтез белков ГЛЮТ -4
28. ГОРМОНЫ. РЕГУЛЯЦИЯ ВОДНО-СОЛЕВОГО ОБМЕНА. Препарат «Каптоприл» служит ингибитором
карбоксидипептидилпептидазы. Каптоприл оказывает гипотензивное, вазодилатирующее действие, поэтому его
часто назначают при артериальной гипертензии, застойной сердечной недостаточности. Объясните механизм
снижения артериального давления при использовании каптоприла.
Для ответа:
а) опишите реакцию, катализируемую карбокси-дипептидилпептидазой, укажите другое название этого
фермента, класс, к которому он относится;
б) назовите гормоны, синтез которых снижается при приеме каптоприла;
в) укажите места их синтеза, клетки – мишени, механизм передачи сигнала в клетки (изобразите
схематично) и процессы, на которые действует каждый из этих гормонов.
ОТВЕТ:
а) Карбокси-дипептидилпептидаза катализирует реакцию превращения ангиотензина I в ангиотензин II, поэтому
этот фермент еще называют ангиотензинпревращающим (АПФ). Он относится к классу гидролаз. Его субстратом
служит ангиотензин I- декапептид, с С-конца которого удаляются 2 аминокислоты частичным протеолизом, в результате
чего образуется функционально активный ангиотензин II.
б) При ингибировании карбокси-дипептидилпептидазы нарушается синтез ангиотензина II, который стимулирует
синтез и секрецию альдестерона.
в) Ангиотензин II образуется из ангиотензина I, который является продуктом частичного протеолиза
ангиотензиногена – глобулина плазмы крови, вырабатываемого печенью. Ангиотензин II действует на рецепторы клеток
клубочковой зоны коры надпочечников и гладких миоцитов сосудов через инозитолфосфатную систему.
37
Рис. 62.
Альдестерон – стероидный гормон, синтезируется клетками клубочковой зоны надпочечников и действует на
рецепторы, расположенные в ядре или цитозоле клеток почечного канальца. Гормон, образуя комплекс с рецептором,
влияет на транскрипцию генов.
Рис. 63.
Альдостерон увеличивает число Na+-каналов на мембране на апикальной стороне клеток, что, очевидно,
повышает уровень внутриклеточного Na+ . Кроме того, альдостерон увеличивает активность митохондриальных
ферментов, что способствует выработке АТФ, необходимого для работы Na+/K+ - АТФазы мембраны.
38
29. ПАТОХИМИЯ САХАРНОГО ДИАБЕТА. Известно, что одна из причин развития ишемической
гангренозной стопы – атеросклероз на фоне сахарного диабета. При длительном течении сахарного диабета
увеличивается синтез гетерополисахаридов в межклеточном матриксе. Это вызывает утолщение стенок сосудов,
сдавливание и сужение их просвета; в результате снижается кровообращение в пораженной конечности
(микроангиопатия), что создает условия для возникновения ишемии тканей. Недостаточность кровообращения
способствует появлению коагуляционного (сухого) некроза. Наиболее неблагоприятный исход – инфицирование
пораженной конечности.
Опишите молекулярные механизмы развития осложнений при сахарном диабете.
Для этого:
а) перечислите типы сахарного диабета и причины его развития;
б) объясните роль кортизола при этом заболевании;
в) напишите схемы метаболических путей, которые способствуют развитию атеросклероза при сахарном
диабете;
г) опишите механизм развития атероcклеротической бляшки.
ОТВЕТ:
К возникновению тромба при сахарном диабете приводят диабетические макроангиопатии нижних конечностей в
сочетании с гиперлипидемией.
а) Различают сахарный диабет I-го и II-го типа. Причина сахарного диабета I-го типа состоит в разрушении βклеток поджелудочной железы в результате аутоиммунных реакций, вирусных заболеваний, генетической
предрасположенности. Причины сахарного диабета II-го типа – нарушения превращения проинсулина в инсулин,
секреции инсулина, передачи инсулинового сигнала в клетки-мишени, повышение скорости катаболизма инсулина.
б) Кортизол как контринсулярный гормон стимулирует глюконеогенез, несмотря на высокую концентрацию
глюкозы в крови. Кроме того, он тормозит экспрессию генов пре-проколлагена и ферментов пролил- и
лизилгидроксилазы. Недостаточное гидроксилирование остатков пролина и лизина повышает чувствительность
коллагена к действию коллагеназы и неспецифических протеаз. Макроскопически проявление действия кортизола
выражается снижением толщины дермы, что ухудшает свойства кожных покровов и соединительной ткани.
Рис. 64 Посттрансляционные модификации цепей коллагена
в) При сахарном диабете наблюдается гипергликемия, вызванная активацией глюконеогенеза, уменьшением
количества переносчиков глюкозы, снижением депонирования глюкозы в виде гликогена и жиров. Гипергликемия
вызывает гликозилирование базальных мембран и белков межклеточного матрикса (коллаген и эластин), а также
гликозилирование апоВ-100 в составе ЛПНП, что нарушает взаимодействие ЛПНП в рецепторами, развивает
гиперхолестеролемию и, соответственно, атеросклероза.
39
Рис. 65 Глюконеогенез
Рис. 66 Гликозилирование белков
г) Гликозилирование апоВ-100 в составе ЛПНП образует модифицированные формы ЛПНП, которые не узнаются
рецепторами и остаются в крови. Возрастает время циркуляции модифицированных ЛПНП и степень их повреждения,
поэтому снижается вероятность их взаимодействия с ЛНП-рецепторами. В результате они поглощаются макрофагами
как чужеродные вещества с помощью скавенджер-рецепторов. Макрофаги перегружаются холестеролом в составе
ЛПНП и превращаются в «пенистые» клетки, которые проникают в субэндотелиальное пространство. Образуются
жировые полоски в стенке кровеносных сосудов. При увеличении количества пенистых клеток повреждается эндотелий,
активируются тромбоциты (артериальная стенка в средних и наружных слоях повреждается при гликозилировании
базальных мембран и белков межклеточного матрикса). Тромбоциты секретируют тромбоксан А2, который стимулирует
агрегацию тромбоцитов, из-за чего может образоваться тромб, а также продуцируют тромбоцитарный фактор роста,
стимулирующий пролиферацию ГМК. ГМК проникают во внутренний слой артериальной стенки и тем самым
способствуют росту бляшки.
40
30. ОБМЕН УГЛЕВОДОВ. ПАТОХИМИЯ
САХАРНОГО ДИАБЕТА. К терапевту обратился пациент с
жалобами на прогрессирующую слабость, апатию, сонливость, головные боли, головокружения. Симптомы
усиливались при голодании, что позволило врачу предположить наличие у больного гипогликемии. Анализ
крови подтвердил предположение – уровень глюкозы составил менее 2,5 ммоль/л, уровень С-пептида более 800
пмоль/л. Пациент не страдает сахарным диабетом и не принимает сахаропонижающих лекарственных средств.
Наличие какого заболевания можно предположить?
Для ответа:
а) нарисуйте схему воздействия глюкозы на β-клетки;
б) опишите влияние инсулина на углеводный и жировой обмен в печени, жировой ткани и мышцах;
в) объясните, почему опасна гипогликемия;
г) назовите заболевание и предложите методы лечения.
ОТВЕТ:
а)
Рис. 67
б) В печени инсулин:
• стимулирует гликолиз и подавляет глюконеогенез;
• стимулирует синтез гликогена и подавляет гликогенолиз;
• стимулирует синтез жирных кислот и ТАГ;
• подавляет β-окисление жирных кислот им кетогенез;
• стимулирует синтез холестерола
• ускоряет реакции пентозофосфатного пути и активирует ПДК.
В жировой ткани инсулин:
• способствует проникновению глюкозы в клетки (через ГЛЮТ-4);
• способствует транспорту жирных кислот в клетки (индукция и экспонирование ЛП-липазы);
• стимулирует гликолиз;
• активирует ПДК;
• стимулирует биосинтез жирных кислот и ТАГ.
В мышцах инсулин:
• способствует проникновению глюкозы в клетки (через ГЛЮТ-4);
• стимулирует синтез гликогена и подавляет гликогенолиз.
в) Наиболее опасное следствие гипогликемии – энцефалоглюкопения, недостаток глюкозы в клетках мозга. Мозг
абсолютно глюкозозависим, потребляет примерно 125 мг в минуту. При длительной гипогликемии в клетках мозга
развиваются нарушения разной степени выраженности: от легких, субклинических, до развития гипогликемической
комы и смерти.
г) Смптомы позволяют предположить наличие инсулиномы – гормонпродуцирующей опухоли β-клеток
поджелудочной железы. Большинство инсулином доброкачественные (>80%), однако возможно развитие
злокачественных опухолей с метастазированием в печень, легкие, кости (~10%). Лечение инсулином – хирургическое.
Оно бывает эффективным в 90% случаев. Нередко проводят симптоматическое лечение лекарственными средствами –
блокаторами кальциевых каналов.
29. БИОХИМИЯ ПЕЧЕНИ. В реабилитационную клинику поступило 2 пациента в состоянии сильной
алкогольной интоксикации. После осмотра пациентов и получения результатов лабораторного исследования
крови лечащий врач назначает одинаковые лекарственные препараты обоим пациентам. Спустя несколько дней
41
улучшение состояния, вызванного лекарствами ,наблюдается только у одного из пациентов, на другого пациента
назначенные препараты не действуют.
Объясните причину данного явления.
Для этого:
а) напишите схему метаболизма этанола в печени;
б) расскажите об окислении этанола при участии цитохром Р450-зависимой этанолокисляющей системы;
при какой форме алкоголизма роль МЭОС значительно увеличивается;
в) объясните феномен лекарственной «устойчивости»; укажите, у какого из поступивших пациентов
наблюдается данное явление;
г) расскажите о метаболизме ацетальдегида, образующегося при окисление этанола в печени;
д) объясните, как влияет этанол и ацетальдегид на метаболизм ксенобиотиков.
ОТВЕТ:
а) Основные этапы окисления этанола происходят в печени, где окисляется от 75% до 98% от поступившего
количества. Этиловый спирт может окисляться в печени 3 способами, в каждом из которых образуется токсический
метаболит – ацетальдегид.
Рис. 68 Окисление этанола в печени
б) Цитохром Р450 существует в виде множества изоферментов, различающихся аминокислотной
последовательностью. У человека обнаружено 12 семейств изоферментов. Реакции с участием цитохрома Р450
протекают в гепатоцитах на эндоплазматическом ретикулуме. Окисление этанола при участии цитохром Р450зависимой микросомальной системы – один из 3 способов метаболизма этанола. Оно происходит под действием одной
из изоформ цитохрома Р450 –изофермента Р450IIЕ1. Наиболее активно МЭОС влияет на инактивацию незначительных
количеств алкоголя. Индукция МЭОС происходит под действием этанола, других спиртов и лекарств типа
барбитуратов. Таким образом, при хроническом алкоголизме происходит постоянная индукция МЭОС, что
впоследствии приводит к гипертрофии ЭР гепатоцитов. Следовательно, роль МЭОС в инактивации этанола в печени
значительно увеличивается при хронической форме алкоголизма.
в) Феномен лекарственной «устойчивости» развивается при хронической форме алкоголизма. Как было сказано
выше, хронический алкоголизм приводит к гипертрофии ЭР гепатоцитов, что ускоряет метаболизм лекарственных
препаратов, поступающих в организм пациента. Ксенобиотики слишком быстро метаболизируются и поэтому не
успевают оказывать своего лекарственного действия на организм. В данной задаче феномен «лекарственной
устойчивости» развивается у пациента с хронической формой алкоголизма, на которого не действуют назначенные
препараты в отличие от другого пациента.
г) Ацетальдегид образуется при окислении этанола любым из 3 возможных способов. Далее под действием FADзависимой альдегид-оксидазы и NAD-зависимой ацетальдегид-дегидрогеназы ацетальдегид окисляется до уксусной
кислоты:
Рис. 69 Окисление ацетальдегида
Далее, полученная в ходе окисления ацетальдегида уксусная кислота активируется под действием ацетил-КоАсинтетазы и при участии кофермента А и молекулы АТФ:
42
Рис. 70 Активация уксусной кислоты под действием ацетил-КоА-синтетазы
Образовавшийся в ходе данной реакции ацетил-КоА в зависимости от метаболических потребностей клетки
включается в ЦТК, идет на синтез жирных кислот или кетоновых тел. Дальнейший путь метаболизма ацетила-КоА
определяется энергетическим статусом клетки, а именно соотношением АТФ/АДФ и концентрацией оксалоацетата в
митохондриях гепатоцитов.
Ацетальдегид очень токсичное вещество. Его повышенная концентрация в клетке вызывает индукцию
альдегидоксидазы. В ходе реакции окисления ацетальдегида образуются активные формы кислорода, ацетальдегид
увеличивает количество свободных радикалов в организме и ускоряет ПОЛ, что разрушает фосфолипиды мембран
клеток.
д) Характер влияния этанола и ацетальдегида на метаболизм ксеноботиков зависит от стадии алкогольной
болезни. Так при хронической форме алкоголизма индуцируются ферменты, которые участвуют в окислении не только
этанола и ацетальдегида, но и многих лекарственных препаратов, что ускоряет метаболизм ксенобиотиков и снижает их
эффективность. При начальной стадии алкоголизма наблюдается развитие лекарственной «неустойчивости», которая
проявляется гиперчувствительностью к введенным лекарственным препаратам. Это объясняется тем, что этанол
конкурентно связывается с изоформой цитохрома Р450IIЕ1 и таким образом тормозит метаболизм ксенобиотиков,
оказывающих более длительное и сильное влияние при задержке в организме.
30. БИОХИМИЯ ПЕЧЕНИ.
На экзамене студент, отвечая на вопрос, сказал, что у пациентов со
злокачественными процессами первоначальная эффективность действия химиопрепаратов через некоторое
время постепенно снижает. Прав ли студент?
Для ответа:
а) укажите, синтез каких ферментов защитной системы индуцируют противоопухолевые препараты;
нарисуйте соответствующие схемы;
б) объясните роль этих ферментов и представьте схемы и реакции, катализируемые ими;
в) изложите, можно ли избежать снижения эффективности лечения.
ОТВЕТ:
Да, студент ответил правильно.
а) Противоопухолевые препараты индуцируют синтез глутатионтрансфераз (ГТ),
микросомальных монооксигеназ, Р -гликлпротеина.
Рис. 71 Строение Р-гликопротина
Р-гликопротеин – интегральный белок, имеющий 12 трансмембранных доменов, пронизывающих бислой
цитоплазматической мембраны. N- и C-концы белка обращены в цитозоль. Участки Р-гликопротеина на наружной
поверхности мембраны гликолизированы. Область между шестым и седьмым доменами имеет центры для
присоединения АТФ и аутофосфорилирования
б) Р-гликопротеин в норме экскретирует ионы хлора и гидрофобные соединения из клеток. ГТ инактивирует
собственные метаболиты: некоторые стероидные гормоны, простагландины, билирубин, желчные кислоты, продукты
ПОЛ; связывает многие гидрофобные вещества и инактивирует их, но химической модификации подвергаются
вещества, имеющие полярную группу. Обезвреживание (т.е. химическая модификация) ксенобиотиков с участием ГТ
может осуществляться 3 различными способами:
• конъюгацией субстрата R с глутатионом (СSН):
R + GSH = GSRH,
• в результате нуклеофильного замещения:
43
RX + GSH = GSR + HX,
• восстановления органических пероксидов до спиртов:
R-HC–O-OH + 2GSH = R-HC-OH +GSSG + H2O
(ООН – гидропероксидная группа, GSSG – окисленный глутатион)
Для работы ГТ требуется глутатион. Конъюгаты GSH с большинством ксенобиотиков менее реакционно способны
и более гидрофильны, чем исходные вещества и вещества, подвергшиеся трансформации под действием ГТ, а поэтому
менее токсичны и легче выводятся из организма.
Рис. 72 Функционирование Р-гликопротеина
* Заштрихованный овал – противоопухолевое лекарство, гидрофобное вещество
в) Да, возможно. Повышает эффективность лечения использование веществ, ингибирующих синтез Ргликопротеина, а также ферментов, катализирующих синтез глутатиона.
31. БИОХИМИЯ ПЕЧЕНИ. БИОХИМИЯ КРОВИ. ОБМЕН ХРОМОПРОТЕИДОВ. Сфероцитоз - патологическое
состояние, характеризующееся наличием в крови эритроцитов неправильной формы (сфероцитов) и возникает
вследствие дефекта белков цитоскелета эритроцитов (спектрина, анкирина). Проницаемость их мембраны для
ионов натрия становится избыточной, в связи с чем эритроциты приобретают шарообразную форму, становятся
ломкими и легко подвергаются спонтанному гемолизу.
Предположите, к каким последствиям может привести это заболевание.
Для этого:
а) укажите, содержание какого вещества повышается в крови при этой патологии;
б) напишите схему его образования;
в) объясните, токсическое действие вещества на организм;
г) может ли уровень непрямого билирубина быть диагностическим критерием при дифференциации
желтухи;
д) предположите, какие нарушения в обмене билирубина могут быть причиной повышения концентрации в
крови непрямого билирубина.
ОТВЕТ:
Неправильная форма эритроцитов и повышенная хрупкость приводит к их гемолизу и развитию гемолитической
анемии и надпеченочной желтухе.
а) При гемолизе эритроцитов в крови повышается количество непрямого (неконъюгированного) билирубина;
б)
44
Рис. 73 Образование билирубина (распад гема)
в) Неконъюгированный билирубин легко растворяется в липидах мембран и проникает в митохондрии, в которых
разобщает дыхание и окислительное фосфорилирование, что сопровождается подъемом температуры. Также он
нарушает синтез белка, поток ионов калия через мембрану клеток и органелл. Это отрицательно сказывается на
состоянии ЦНС, вызывая у больных характерные неврологические симптомы.
г) Повышение содержания только непрямого билирубина в крови – признак, позволяющий отличать
гемолитическую желтуху от других типов желтухи (механической и печеночно-клеточной).
д) Билирубин транспортируется из крови и в гладком эндоплазматическом ретикулуме происходит реакция
конъюгации билирубина с глюкуроновой кислотой.
При нарушении транспорта билирубина в гепатоцит и недостаточности фермента глюкуронилтрансферазы
концентрация непрямого билирубина в крови может вырасти. Это наблюдается при наследственной желтухе –
синдромах Жильбера (нарушение транспорта) и Криглера-Найяра (дефект глюкуронилтрансферазы).
32. ОБМЕН УГЛЕВОДОВ. ПЕНТОЗОФОСФАТНЫЙ ПУТЬ. БИОХИМИЯ КРОВИ. В странах
Средиземноморья в пищу используют конские бобы. Однако их потребление может привести к развитию
тяжелого гемолиза у лиц, страдающих дефицитом глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы. Клинически состояние таких
больных выражается в бледности кожных покровов, гемоглобинурии, желтухе и тяжелой форме анемии в
течение 24–48 часов после употребления конских бобов в пищу. Конские бобы содержат гликозид вицин и
изоурамил, которые, как считается, разрушают глюкозо-6-фосфатдегидрогеназу. Такая патология имеет
название «фавизм».
Объясните молекулярную основу гемолиза при данной патологии.
Для этого:
а) представьте метаболический путь в эритроцитах, в котором участвует глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа;
б) опишите, как в норме нейтрализуются активные формы кислорода (АФК) в эритроцитах и последствия
воздействия АФК на клетку?
45
ОТВЕТ:
а) Пентозофосфатный способ превращения глюкозы происходит в цитозоле клеток и выполняет следующие
основные функции:
• образование NADPH;
• источник рибозо-5-фосфата для синтеза нуклеотидов.
Рис. 74 Пентозофосфатный способ превращения глюкозы
б) Дефицит глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназы (Глк-6Ф-ДГ) может привести к гемолитической анемии. Известно
около 400 различных мутаций в гене Глк-6Ф-ДГ. Такие заболевания рецессивны и связаны с Х-хромосомой.
Красные кровяные тельца содержат большое количество кислорода и способны спонтанно генерировать активные
формы кислорода, которые могут повредить белки и липиды в клетке. В присутствии активных форм кислорода
гемоглобин может преципитировать, образую тельца Хайнца, а мембранные липиды подвергаться пероксидации, в
результате чего мембрана клетки разрушается и происходит гемолиз. По мере образования пероксидов они быстро
разрушаются системой глутатионпероксидаза/глутатионредуктаза в эритроцитах, предотвращая разрушительные
последствия. NADPH, который требуется для глутатион-редуктазы, образуется в пентозофосфатном пути превращения
глюкозы в эритроците.
46
Рис. 75
33. БИОХИМИЯ КРОВИ. ГЕМОСТАЗ.
У детей, перенесших сердечно-легочную реанимацию, при контроле
системы гемостаза отмечали угнетение Хагеман-зависимого фибринолиза.
К каким последствиям приведет нарушение Хагеман-зависимого фибринолиза?
Для ответа:
а) опишите механизмы активации фактора ХII;
б) объясните значение фактора ХII в свертывании крови и фибринолизе.
ОТВЕТ:
а) Фактор ХII участвует в контактном пути свертывания крови. Он последовательно активируется двумя
способами: сначала в результате изменения конформации при взаимодействии с отрицательно заряженной
поверхностью поврежденного эндотелия, затем частичным протеолизом мембранным комплексом калликреин-ВМК.
Рис. 76
б) Активированный фактор ХII инициирует образование мембранных ферментных комплексов контактной фазы
свертывания. Фактор XIIa вызывает ряд последовательных реакций, в которые вовлекаются присутствующие в плазме
крови факторы от XI-го по V-й включительно. В итоге образуется кровяной тромбопластин, или протромбиназа.
Фактор ХIIа участвует в фибринолизе. Он активирует превращение неактивного плазминогена в активный
плазмин.
47
Рис. 77
Таким образом, фактор ХII участвует и свертывании крови, и в фибринолизе. При недостатке фактора ХII
свертывание крови не нарушается, т.к. его обеспечивает внешний путь свертывания крови, где фактор ХII не участвует,
а контактный путь не требуется для инициации свертывания. Фактор ХII имеет важное значение в фибринолизе для
превращения плазминогена в плазмин. Его недостаток сопровождается тромбозами, эмболией.
34. БИОХИМИЯ КРОВИ. ГЕМОСТАЗ.
Широкое распространение среди гормональных контрацептивов
приобрел препарат «Диане-35», в состав которого входит синтетический аналог эстрогена – этинилэстрадиол.
Данное вещество, помимо основного механизма действия, индуцирует синтез протромбина, Х-го фактора
свертывания крови, а также понижает тонус стенок сосудов. Длительное применение препарата способно
вызвать у женщин тромбоз маточных артерий.
Почему развивается эта патология?
Для ответа:
а) напишите схему прокоагулянтного пути свертывания крови;
б) объясните роль протромбина и Х-го фактора;
в) назовите этапы образования фибринового тромба.
ОТВЕТ:
а)
Рис. 78 Прокоагулянтный путь свертывания крови
б) Протромбин синтезируется в печени, его молекула содержит остатки γ-карбоксиглутаминовой кислоты. Он
фиксируется на мембранном ферментном комплексе Ха-Vа-Са2+. Фактор Ха, активированный этинилэстрадиолом,
гидролизует пептидные связи в молекуле протромбина. В результате образуется тромбин, который частичным
протеолизом превращает фибриноген в фибрин, активирует факторы VII, VIII, V по принципу положительной обратной
связи, а также фактор XIII.
в) В процессе формирования фибринового тромба выделяют следующие этапы:
• превращение фибриногена в мономер фибрина в результате отщепления тромбином А- и В-фибринопептидов;
• образование нерастворимого геля фибрина. В результате изменения конформации в доменах фибрина-мономера
открываются комплементарные участки – центры связывания. Из-за чего возникают нековалентные связи между
молекулами фибрина и его дальнейшие полимеризации;
48
Рис. 79 Образование амидной связи между молекулами фибрина
• стабилизация геля фибрина. Фермент трансглутаминаза (фактор XIIIа) катализирует образование амидных связей
между радикалами глутамина и лизина мономеров фибрина, а также между фибрином и фибринонектином.
Рис. 80 Образование геля фибрина
• ретракция фибринового сгустка. Сжатие геля обеспечивает актомиозин тромбоцитов – сократительный белок
тромбостенин, обладающий АТФ-азной активностью. Тромбостенин участвует в активации и агрегации тромбоцитов.
Ретракция кровяного сгустка предупреждает полную закупорку сосудов, создавая возможность для восстановления
кровотока.
Таким образом, на фоне длительного применения препарата «Диане-35» возможно развитие тромбоза маточных
артерий вследствие активации II, X факторов прокоагулянтного пути свертывания крови.
35. БИОХИМИЯ КРОВИ. ГЕМОСТАЗ. К концу XIX в. у гемофилии сложилась «приличная королевская
родословная». Этой болезнью страдали итальянские князья, французские короли, а затем через английскую
королеву Викторию и ее детей – испанские инфанты и, наконец, наследник российского престола цесаревич
Алексей.
Охарактеризуйте это заболевание.
Для ответа:
а) назовите причину разных видов гемофилий;
б) укажите роль недостающих факторов в прокоагулянтном и контактном путях свертывающей системы
крови, объяснив механизм образования тромбина;
в) изложите, какие способы лечения этого заболевания вам известны.
ОТВЕТ:
а) Гемофилия – наследственная болезнь снижения свертываемости крови, передаваемая по рецессивному,
сцепленному с Х-хромосомой типу, проявляющаяся повышенной кровоточивостью. Болеют мальчики (гемофилия С
встречается и у девочек). Выделяют 3 формы гемофилии — А, В и С.
Гемофилия А – наследственное заболевание, вызванное дефицитом фактора VIII свертывания крови
(антигемофильный глобулин А). Наследуется по рецессивному, сцепленному с полом типу.
Гемофилия С – наследственное заболевание, обусловленное дефицитом фактора XI свертывания крови
(предшественник плазменного тромбопластина). Наследуется по аутосомно-рецессивному либо аутосомнодоминантному типу.
Гемофилия В – наследственное заболевание, связанное с дефицитом фактора IX свертывания крови (плазменный
компонент тромбопластина). Наследуется по рецессивному, сцепленному с полом типу.
49
б) В механизме образования тромба есть 3 функционально разных этапа: внешний (прокоагулянтный), внутренний
(контактный) пути свертывания и антикоагулянтная фаза, препятствующая распространению тромба.
Инициация образования сгустка в ответ на повреждение ткани осуществляется по внешнему пути свертывания, а
формирования красного тромба в области замедленного кровотока или на аномальной сосудистой стенке при отсутствии
повреждения ткани – по внутреннему. На этапе активации фактора X объединяются оба пути и образуется конечный
путь свертывания крови.
На каждом из путей последовательно образующиеся ферменты активируют соответствующие проферменты, из-за
чего растворимый белок плазмы фибриногена превращается в нерастворимый белок фибрин, который и образует
сгусток. Это превращение катализирует протеолитический фермент тромбин путем частичного протеолиза. Он
образуется из своего предшественника протромбина при кровопотере. Эта реакцию катализирует протеолитический
фермент – фактор Ха в составе мембранного комплекса Ха-Vа-Са2 + .
Рис. 81 Свертывание крови
Все ферменты мембранных комплексов свертывающей системы служат протеазами и активируются частичным
протеолизом. Активированный в результате контакта с субэндотелием фактор Х превращает прекалликреин в
калликреин; калликреин мембранного комплекса калликреин-HMK активирует фактор ХII; фактор ХIIа активирует
фактор ХI; активированный частичным протеолизом фактор ХIIа превращает прекалликреин в калликреин по принципу
положительной обратной связи; фактор ХIа мембранного комплекса ХIа-HMB активирует фактор IХ; фактор IХа
50
мембранного комплекса IХа-VIIа-Са2+ активирует фактор Х; фактор VIIа мембранного комплекса VIIа-Тф- Са2+
активирует факторы IХ и Х; фактор Ха протромбиназного комплекса активирует фактор II; тромбин(факторII)
превращает фибриноген в фибрин и активирует фактор ХIII; фактор ХIIIа катализирует образование амидных связей в
геле фибрина.
в) Основной метод лечения гемофилии заключается в заместительной терапии препаратами, приготовленными из
донорской плазмы, которые содержат дефицитные факторы свертывания крови. Используют переливание крови: при
гемофилии А переливают свежую кровь, т.к. при хранении в консервированной крови быстро инактивируется фактор
VIII, при гемофилии В можно переливать обычную донорскую кровь – она содержит достаточное количество
тромбопластина. Применяются методы генной инженерии, с помощью которой синтезируется фактор VIII. Это
позволяет избежать осложнений переливания крови.
35. БИОХИМИЯ КРОВИ. ГЕМОСТАЗ. Ген фактора V находится в 1-й хромосоме рядом с геном антитромбина.
Точечная мутация в гене фактора V (лейденовская мутация) ведет к замене аминокислоты аргинина на
глутамин в позиции 506. Именно эта точка – место действия активного протеина С (Са) на фактор V.
К каким последствиям может привести данная мутация?
Для ответа:
а) укажите роль факторов Vа и фактор VIIIа в свертывании крови;
б) назовите схему путей свертывания крови;
в) объясните значение протеина С в гемостазе.
ОТВЕТ:
а) Фактор V и фактор VIII – доменные белки, циркулирующие в крови. Фактор V синтезируется в печени, а фактор
VIII – эндотелиальными клетками. Оба фактора активируются частичным протеолизом под действием тромбина (фактор
IIа). Факторы Va и VIIIa служат белками-активаторами факторов VIIa и Xa. При связывании с белками-активаторами в
результате конформационных изменений активность этих ферментов повышается.
б) Существует 2 пути свертывания крови – прокоагулянтный (внешний) и контактный (внутренний). Для
инициации реакций внешнего пути необходимо появление тканевого фактора (фактор III) на внешней поверхности
плазматической мембраны клеток, соприкасающихся с кровью. Внутренний путь начинается с активации фактора XII
при его контакте с поврежденной поверхностью эндотелия сосудов и взаимной активации ферментов прекалликреина и
фактора XII.
Рис. 82 Система коагуляции
В прокоагулянтном и контактном путях свертывания крови последовательное образование мембранных
ферментных комплексов активируется фактора Х и образуются протромбиназы. Этапы, одинаковые для обоих путей
свертывания крови, называются общим путем свертывания крови.
в) Протеин С участвует в процессе антикоагуляции. Тромбин в мембранном комплексе с тромбомодулином и
кальцием активирует частичным протеолизом протеин С. Активированный протеин С (Са) образует с белкомактиватором S мембраносвязанный комплекс Са-S-Са2+. Протеин Са в составе этого комплекса гидролизует в факторах
Va и VIIIa по 2 пептидные связи и инактивирует эти факторы.
51
Рис. 83 Антикоагулянтная система протеина С
ТМ – тромбомодулин
АРС – активированный протеин С
PS – протеин S
Антикоагулянтная фаза тормозит каскад реакций свертывания крови. Мутация фактора V (лейденовская мутация,
резистентность к протеину С) приводит к синтезу фактора V, резистентного к протеину С. Больные с такой
генетической мутацией страдают тромбофилией.
36.
Для стерилизации медицинских инструментов используют паровые и газовые стерилизаторы, а
также воздействие агрессивных веществ (формальдегид, окись этилена и др.). Объясните механизм
действия этих веществ на бактериальные клетки, учитывая, что они проникают через мембрану и
взаимодействуют с белками. Для этого:
а) объясните, что такое денатурация белка, укажите, какие структурные уровни белка
изменяются при этом;
б) перечислите типы связей, которые разрушаются при денатурации, приведите примеры
аминокислот, образующих такие связи;
в) назовите, какой участок белка отвечает за его функционирование, дайте определение этому
понятию. Объясните, изменится ли биологическая активность ферментов бактерий после их
взаимодействия с формальдегидом и почему.
ОТВЕТ
а) Денатурация – это разрушение слабых химических связей, формирующих пространственную
структуру белка (II, III, IV структурные уровни), при воздействиях различных факторов и соединений (высокая
температура, ионизирующая радиация, концентрированные кислоты и щелочи, мочевина, спирты, фенол,
формальдегид, соли тяжелых металлов и.т.д.). Первичная структура при этом сохраняется, так как
стабилизируется ковалентными (прочными) пептидными связями.
б) При денатурации разрушаются водородные связи II и III структуры; гидрофобные, ионные,
водородные связи между радикалами III и IV структур.
Рис. 1.3. Водородная связь между группами пептидного остова
52
Рис. 1.7. Гидрофобные взаимодействия между радикалами
Рис. 1.9. Водородные связи между радикалами аминокислот
Рис. 1.10. Ионная связь между радикалами лизина и аспарагиновой кислоты (А) и примеры
ионных взаимодействий (Б)
в) За функцию белка отвечает центр связывания белка с лигандом (активный центр) – участок
белковой молекулы, образованный радикалами аминокислотных остатков и функциональных групп,
сближенных при формировании третичной структуры. В активном центре происходит специфическое
взаимодействие с комплементарным лигандом. Обычно он находится в гидрофобном углублении на
поверхности белковой глобулы. При денатурации молекулы белка приобретают случайную конформацию.
Биологическая активность при этом полностью утрачивается, так как изменение пространственной структуры
(II, III уровней) приводит к разрушению активного центра белка
37. В настоящее время существует уникальный способ диагностики острого инфаркта миокарда на ранних
стадиях – определение в крови больных белка тропонина Т. Этот белок присутствует только в
сократительных кардиомиоцитах. В норме тропонин Т практически отсутствует в крови
(содержание 0 – 1,3 микрограмм на литр), но при повреждении миокарда его концентрация в крови
резко увеличивается уже через 2 часа и остается высокой до 14 суток. Объясните, почему сегодня тропонин Т
признан маркером 100% чувствительности и используется в диагностике не только острого инфаркта
миокарда, но и при неинфарктных повреждениях сердечной мышцы. В чем преимущества теста на тропонин
Т перед традиционными тестами на креатинкиназу (КК), лактатдегидрогеназу (ЛДГ) и др.?
При ответе на вопрос:
а) объясните, что такое энзимодиагностика;
б) перечислите требования к ферментам, используемым для энзимодиагностики;
53
в) укажите, какие свойства белка тропонинаТ позволяют использовать его для диагностики
заболеваний, сравните их со свойствами ферментов КК и ЛДГ, активность которых определяют при
диагностике инфаркта миокарда.
ОТВЕТ:
а) Энзимодиагностика – раздел учения о ферментах, в котором постановка диагноза заболевания (или
синдрома) проводится на основе установления активности определенных ферментов в биологических
жидкостях организма. Состав ферментов и их тканевое распределение у взрослого человека в основном
постоянны и могут изменяться при заболеваниях. При патологических процессах повреждаются мембраны
клеток, и содержащиеся в этих клетках ферменты выходят в кровь. Активность и содержание таких
ферментов в крови изменяется и отличается от нормы в течение определенного времени после начала
заболевания.
б) Ферменты, активность которых определяют при энзимодиагностике, должны удовлетворять
требованиям :
• органоспецифичность;
• в норме активность в крови должна быть невысокой;
• при паталогии ферменты должны поступать в кровь.
Также важно, чтобы активность фермента была достаточна для его обнаружения.
в) При острых воспалительных процессах, механических, химических повреждениях и других
паталогических состояниях увеличивается проницаемость или разрушается клеточная мембрана
кардиомиоцита и его внутриклеточные ферменты, а также белок тропонин Т, выходят в кровь.
Тропонин Т абсолютно органоспецифичен (т.к. содержится только в кардиомиоцитах), в то время как,
например, ЛДГ-1 иЛДГ-2 содержатся еще и в ряде других органов. В норме тропонин Т в крови отсутствует, а
при паталогии его количество резко и быстро возрастает и держится на высоком уровне достаточно
длительное время (до 2 недель). На основании этих свойств тропонина Т возможно его применение в
диагностике заболеваний сердечной мышцы. Еще одним главным преимуществом данного белка является
быстрое нарастание его концентрации в крови (через 2 часа), в то время как КК достигает максимального
значения через 20-30 часов, а ЛДГ через нескольких суток после возникновения патологии.
37. Камптотецин и левомицитин (хлорамфеникол) – ингибиторы матричных биосинтезов, нашедшие
применение в двух разных областях медицинской практики. Камптотецин образует комплекс с ДНКтопоизомеразой 1 и нарушает ее активность, а левомицитин присоединяется к 50 S субъединице рибосомы и
ингибирует активность пептидилтрансферазы. Предположите, в какой из областей медицины используются
каждый из описанных препаратов. Для ответа:
а) назовите какие матричные биосинтезы и в каких клетках ингибируют эти препараты;
б) изобразите схемы процессов и отметьте стадии, протекание которых блокируется в присутствии
указанных препаратов;
в) укажите какова степень избирательности и токсичности этих лекарственных веществ.
ОТВЕТ:
Камптотецин принадлежит к противоопухолевым препаратам и используется в химиотерапии для
лечения злокачественных образований, а левомицитин относится к антибактериальным антибиотикам
широкого спектра действия.
а) Камптотецин останавливает репликацию в опухолевых клетках, а левомицитин – процесс трансляции
в прокариотических клетках;
б) Будучи ингибитором ДНК-топоизомеразы I камптотецин блокирует протекание стадии инициации
репликации. ДНК-топоизомеразы I расщепляет одну из цепей ДНК , обеспечивает раскручивание двойной
спирали и включение двух молекул ДНК-хеликаз в область разрыва. Нарушение этой стадии делает
невозможной репликацию в быстрорастущих эукариотических клетках.
54
Левомицитин блокирует элонгацию полипептидных цепей на стадии образования новой пептидной
связи в А-центре и удлинения пептида на одну аминокислоту. Реакцию катализирует пептидилтрансфераза,
активный центр которой образован рРНК, входящей в большую субъединицу рибосомы.
в) Избирательность действия камптотецина невелика и обеспечивается более высокой по сравнению с
нормальными клетками скоростью синтеза ДНК и РНК, а также повышенной проницаемостью клеточных
мембран неопластических клеток. Он достаточно токсичен, так как может прекращать матричные биосинтезы
и в здоровых, быстро пролиферирующих клетках организма: фолликулах волос, клетках кроветворной
системы и кишечника. Левомицетин же отличается высокой избирательностью и сравнительно мало токсичен
для человека. Это объясняется различиями в структуре РНК и белков рибосом в эукариотических и
прокариотических клетках.
38. Исследователи каталитического рецептора инсулина установили значительное изменение в гене
белка – субстрата инсулинового рецептора. Как нарушение в структуре этого белка скажется на
функционировании системы передачи сигнала инсулина? Для ответа на вопрос:
а) приведите схему трансмембранной передачи сигнала инсулина;
б) назовите белки и ферменты, которые активирует инсулин в клетках-мишенях, укажите их
функцию.
ОТВЕТ
а) Рецептор инсулина построен из двух α- и двух β-субъединиц. α-Субъединицы расположены на
наружной поверхности клеточной мембраны, β-субъединицы пронизывают мембранный бислой. Центр
связывания инсулина образован N-концевыми доменами α-субъединиц. Каталитический центр рецептора
55
находится на внутриклеточных доменах β-субъединиц. Цитозольная часть рецептора имеет несколько
остатков тирозина, подверженных фосфорилированию и дефосфорилированию.
☼ Присоединение инсулина в центр связывания, образованный α-субъединицами вызывает
кооперативные конформационные изменения всех 4-х субъединиц.
☼ Изменение конформации β-субъединиц повышает их каталитическую (тирозинкиназную) активность.
Происходит аутофосфорилирование β-субъединиц по нескольким остаткам тирозина.
☼ Фосфорилирование β-субъединиц приводит к изменению заряда, конформации и субстратной
специфичности фермента тирозиновой протеинкиназы (Тир-ПК)
б) Тир-ПК фосфорилирует определенные клеточные белки по тирозину, которые получили название –
субстраты рецептора инсулина. В свою очередь эти белки участвуют в активации:
фосфопротеинфосфатазы (ФПФ), которая отщепляет Н3РО4 от фосфорилированных остатков серина
и треонина;
фосфодиэстеразы, которая превращает цАМФ в АМФ и цГМФ в ГМФ;
ГЛЮТ 4 – переносчиков глюкозы в инсулин-зависимых тканях, поэтому повышается поступление
глюкозы в клетки мышц и жировой ткани;
тирозиновой протеинфосфатазы, которая дефосфорилирует β-субъединицы рецептора инсулина;
регуляторных белков ядра, поэтому может повышаться или снижаться экспрессия генов
определенных ферментов.
Нарушение структуры белка – субстрата инсулинового рецептора приведет в нарушению передачи
сигнала гормона на внутриклеточные ферменты и белки.
39. Хрусталик и роговица глаза преломляют свет, поэтому их клетки почти не содержат митохондрий. Каким
способом в клетках этих тканей в основном синтезируются молекулы АТФ ? Для ответа на вопрос:
а) укажите известные Вам механизмы фосфорилирования АДФ;
б) напишите схему процесса, обеспечивающего синтез АТФ без участия митохондриальной цепи переноса
электронов и оцените его энергетический эффект.
ОТВЕТ
а) В аэробных условиях АТФ синтезируется путем окислительного фосфорилирования за счет энергии
окисления субстратов при участии митохондриальной цепи переноса электронов. В анаэробных условиях
происходит субстратное фосфорилирование, при котором используется энергия, освобождающаяся при
разрыве макроэргических связей в субстратах.
б) Для тканей, не способных к аэробным процессам, основным источником энергии становится
анаэробный гликолиз.
56
Повышенная экскреция двухосновных аминокислот известна под названием лизинурическая
непереносимость белка и наследуется как аутосомно-рецессивный признак. У гомозигот нарушен транспорт
лизина и аргинина в кишечнике, реабсорбция в почках, захват этих аминокислот клетками печени. В крови
больных снижена концентрация лизина, аргинина и орнитина, в раннем возрасте отмечаются
гепатоспленомегалия, непереносимость белка и эпизодическая интоксикация аммонием. Клинические
проявления обусловлены гипераммониемией. Для лечения этого заболевания используется цитруллин –
аминокислота, всасывание в кишечнике и печеночный транспорт которой у больных не нарушены. Объясните,
почему при данном заболевании наблюдается гипераммониемия. Для ответа на вопрос:
а) напишите схему процесса, нарушение которого приводит к развитию гипераммониемии;
б) назовите причины токсического действия аммиака;
в) объясните механизм лечебного действия цитруллина; предположите, какую диету врач должен
рекомендовать больному при данной патологии.
40.
ОТВЕТ
а) Гипераммониемия развивается из-за снижения содержания аргинина и орнитина, необходимых для
нормального функционирования орнитинового цикла:
57
б) Аммиак оказывает токсическое действие на нервную систему и другие ткани, так как:
NH3 проходит простой диффузией в любые клетки
В клетках NH3 + Н+ → NH4
↑рН в клетках (алкалоз)
В клетках тканей ↑V реакций:
1) восстановительного аминирования
α-кГ + NАDH+Н+ → Глу + NАD+
это приводит к снижению в клетке
[α-кГ] и АТФ/АДФ
2) образования глутамина
Глу + NH3 + АТФ → Глн
это приводит к снижению в клетке
[Глу] и скорости образования ГАМК
Это вызывает нарушение:
• функционирования Nа+,К+-АТФазы;
• энергетического обмена в клетках;
• обмена аминокислот;
• синтеза ГАМК в нервной системе;
• выведения глутамина и накопление его в клетках.
в) Введение цитруллина увеличивает выход в орнитиновом цикле выход орнитина. Это приводит к
повышению образования мочевины и снижению концентрации аммиака в крови. На фоне перорального
приема цитруллина необходимо ограничить количество белков в пище.
58
41. У новорожденных до 6 месяцев сильно развита бурая жировая ткань. Она содержит запасы ТАГ и
гликогена, много митохондрий, во внутреннюю мембрану которых встроен белок термогенин
(разобщитель процессов окислительного фосфорилирования). В отличие от белой жировой ткани, в
бурых жировых клетках жирные кислоты, образующиеся в результате липолиза, непосредственно
вступают в реакции β-окисления. Объясните, каким образом, бурая жировая ткань обеспечивает
термогенез новорожденных. Для этого:
а) укажите различие в судьбе продуктов гидролиза ТАГ в белой и бурой жировой тканях;
б) напишите схему метаболического пути обмена жирных кислот; рассчитайте выход АТФ для
пальмитиновой кислоты;
в) представьте схему ЦПЭ, укажите роль этого процесса в поддержании температуры тела
человека и вклад разобщителей;
г) сделайте вывод, в какой форме происходит выделение жирных кислот в бурой жировой ткани
в связи с особенностями ее строения.
ОТВЕТ:
а) В клетках белой жировой ткани в результате мобилизации ТАГ образуются жирные кислоты и
глицерол, которые поступают в кровь и транспортируются в ткани, где подвергаются окислению.
Образующиеся в ходе липолиза, в бурых жировых клетках, жирные кислоты окисляются в митохондриях этих
же клеток.
б) Схема β-окисления жирных кислот:
Выход АТФ при окислении жирной кислоты до СО2 и Н2О рассчитывается по формуле:
[n/2 · 12 + (n/2 – 1) · 5] – 1, где n – количество С-атомов в жирной кислоте; таким образом, при
окислении пальмитиновой кислоты выделяется: [16/2 · 12 + (16/2 – 1) · 5] – 1= 130 АТФ.
в) Ферменты и переносчики ЦПЭ обеспечивают перекачивание протонов из матрикса в межмембранное
пространство и возникновение градиента электрохимического потенциала ΔµН +, который необходим для
активации АТФ-синтазы. При этом на синтез молекул АТФ расходуется примерно 40-45% всей энергии
электронов, переносимых по ЦПЭ, приблизительно 25% тратится на работу по переносу веществ через
мембрану, остальная часть энергии 30-35% рассеивается в виде теплоты и может использоваться для
поддержания температуры тела. Дополнительное образование рассеянного тепла происходит при участии
разобщителей, которые снижают электрохимический градиент, синтез АТФ и увеличивают выделение энергии
в виде тепла.
59
г) При снижении температуры тела новорожденного в клетках бурой жировой ткани адреналин ускоряет
липолиз. Это приводит к увеличению образования жирных кислот, которые поступают в митохондрии и
включаются в процесс β-окисления. Благодаря термогенину, встроенному во внутреннюю мембрану
митохондрий, значительная часть энергии, образующейся при β-окисления освобождается в виде тепла, что
позволяет этой ткани выполнять функцию терморегуляции и теплообразования. Особенно эта функция бурой
жировой ткани важна для новорожденных детей, так как снижение температуры тела может стать угрозой для
их жизни.
42. Ряд заболеваний связан генетическим дефектом пируватдегидрогеназного комплекса. Одной из лечебных
рекомендаций является « кетогенная диета», при которой в рационе питания соотношение жиры/углеводы
составляют 3:1(при сбалансированном питании 1:5). Какие изменения метаболизма вызывает такая диета? Как
эти изменения влияют на энергетический обмен мозга? Для ответа на вопросы:
а) опишите механизм передачи сигнала в клетки-мишени гормоном, концентрация которого повышается в
крови при резком снижении поступления в организм углеводов;
б) представьте схемы метаболических путей, скорость которых увеличивается в тканях-мишенях под
влиянием этого гормона;
в) укажите энергетические субстраты, использующиеся мозгом при нормальном рационе питания и «
кетогенной» диете;
г) напишите схему реакции, катализируемую ПДК, и объясните ее значение в обеспечении энергией клеток
мозга.
ОТВЕТ:
а) Снижение концентрации глюкозы в крови при «кетогенной диете» является сигналом для синтеза и
секреции гормона глюкагона. Он передает сигнал в клетки-мишени – адипоциты и гепатоциты посредством
аденилатциклазной системы.
60
б) Глюкагон ускоряет липолиз в адипоцитах, β-окисление жирных кислот в гепатоцитах, поступающих из
жировой ткани, а также из хиломикронов под действие липопротеинлипазы. Ацетил-КоА, образующийся в
митохондриях в результате β-окисления, в основном идет на синтез кетоновых тел, так как скорость ЦТК в
этих условиях снижается.
в) Основным энергетическим субстратом клеток мозга является глюкоза, которая включается в
аэробный распад, превращаясь в СО2 и Н2О. При углеводном голодании энергетическими субстратами
становятся кетоновые тела.
61
г) Реакция окислительного декарбоксилирования пирувата является этапом аэробного распада
глюкозы. При генетическом дефекте ПДК этот метаболический путь нарушается, и клетки мозга испытывают
дефицит энергии. Окисление кетоновых тел приводит к образованию молекул ацетил-КоА, которые далее
вступают в реакции цикла Кребса, поэтому увеличение поступления кетоновых тел в мозг при «кетогенной
диете» устраняет энергетический голод.
43. Препарат «Баларпан», который используется в качестве действующего вещества при лечении
«сухой роговицы» глаз содержит сульфатированный гликозамингликан. Объясните, почему
применение этого лекарства повышает влажность поверхности глаза. Для этого:
а) напишите формулу–[дисахаридной единицы]– одного из сульфатированных
гликозамингликанов;
б) опишите свойства макромолекул, построенных из таких дисахаридных звеньев;
в) представьте схему синтеза этих структур в организме человека, назовите ферменты и
локализацию процесса.
ОТВЕТ:
а) Дисахаридная единица хондроитинсульфата:
б) Благодаря высокой плотности отрицательных зарядов полисахаридные цепи сульфатированных ГАГ
связывают множество осмотически активных ионов: Na+, Са2+, К+, которые удерживают воду. Например,
молекула гиалуроновой кислоты может связывать от 200 до 500 молекул воды. Особая структура и
способность к гидратации позволили использовать сульфатированные ГАГ для повышения влажности
поверхности глаза.
в) Схема синтеза хондроитинсульфата.
62
Предшествует синтезу полисахарида присоединение к остатку серина в коровом белке специального
линкерного трисахарида (-ксилоза-галактоза-галактоза-), выполняющего роль «затравки» для роста ГАГ.
Каждую реакцию построения линкерного трисахарида и дальнейший рост цепи катализируют специфические
гликозилтрансферазы.
Основная часть цепи ГАГ, построенная из повторяющихся дисахаридных единиц (А и В), синтезируется
путем последовательного присоединения углеводных остатков в активированной форме УДФ-сахаров. По
мере удлинения цепи многие углеводные остатки сульфатируются и после этой модификации полимер
выводится через мембрану на наружную поверхность фибробласта. Вне клетки протеогликан образует
нековалентные связи с другими структурами внеклеточного матрикса.
44. Наследственная недостаточность NADP- оксидазы приводит к хроническому гранулематозу. Почему при
этом заболевании некотоые микроорганизмы сохраняют жизнеспособность внутри фагоцитов, а их антигены
вызывают в месте скопления фагоцитов клеточный иммунный ответ и формирование гранулем? Для ответа на
вопрос:
а) напишите схему активации кислородзависимых бактерицидных механизмов;
б) объясните роль активных форм кислорода в фагоцитозе.
ОТВЕТ
а)
63
б) Активные формы кислорода инициируют свободнорадикальные реакции, разрушающие липиды
клеточных мембран бактерий, поглощенных фагоцитами. При генетическом дефекте NADP-оксидазы в
фагоцитах не образуются: супероксидный кислородный радикал, Н 2О2 и НОСI, поэтому некоторые
фагоцитированные микроорганизмы не погибают.
45. Инфаркт миокарда, травмы и хирургические вмешательства могут сопровождаться тромбозами. Объясните
причины повышения свертываемости крови при таких патологиях. Для этого:
а) укажите причины, которые могут вызвать каскад реакций свертывания крови;
б) опишите состав инициирующего мембранного комплекса и представьте схему прокоагулянтного этапа
внешнего пути свертывания крови.
ОТВЕТ
а) Разрушение клеток при механической травме и инфаркте миокарда сопровождается экспозицией на
поверхности их плазматических мембран тканевого фактора и отрицательнозараженных фосфолипидов и
инициации каскада реакций внешнего пути свертывания крови. Контакт фактора XII с субэндотелием
поврежденных сосудов запускает реакции внутреннего пути свертывания крови.
б) Инициирующий мембранный комплекс включает отрицательнозаряженные фофсолипиды
модифицированной плазматической мембраны клеток, протеолитический фермент - фактор VIIа, белокактиватор - тканевой фактор и ионы Са 2+ .
46.
64