Сборник задач и упражнений по биохимии для студентов медицинских специальностей

Татьяна Александровна Лобаева, 2023

В сборнике собраны тематические задания различного уровня сложности по 12 темам биохимии, включая ситуационные, расчетные, практико-ориентированные, клинические, фармакологические и другие типы задач и упражнений. Пособие соответствует требованиям ФГОС высшего профессионального образования по направлениям подготовки 31.05.01 Лечебное дело (специалитет), 33.05.01. Фармация (специалитет), 31.05.03 Стоматология (специалитет), 34.03.01 Сестринское дело (бакалавриат) и может быть использовано при проведении аудиторных занятий по биохимии, самостоятельной работы студентов, а также для аттестации студентов данных специальностей в медицинских вузах.Рецензенты: Радыш Иван Васильевич – д.м.н., проф., зав. кафедрой управления сестринской деятельностью МИ РУДНСмирнова Ксения Валерьевна – к.б.н., зав. лабораторией вирусного канцерогенеза НИИ канцерогенеза ФГБУ "НМИЦ онкологии им. Н.Н. Блохина" Минздрава России, доцент кафедры биохимии и молекулярной биологии РНИМУ им. Н.И. Пирогова

Раздел 2. Аминокислоты и простые белки

ЧТО НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ В ДАННОЙ ТЕМЕ?

Основные термины и понятия

Гидрофильность

Гидрофобность

Амфифильность (амфотерность)

Аминокислоты

Цвиттер-ион

Пептидная (амидная) связь

Пептиды

Белки

Нативная структура белка (активность)

Денатурация белка

Ренатурация

Фолдинг белка

Мисфолдинг белка

Болезни, связанные с мисфолдингом белка

Шапероны

Денатурация, факторы денатурации (с причинами)

Изоэлектрическая точка (ИЭТ, pI)

Олигомерный белок

Белковая субъединица (протомер)

Домен в молекуле белка

Гистоны

Глутатион

Карнозин,

Коллаген,

Эластин,

Пепсин

Инсулин

Биуретовая реакция

Нингидриновая реакция

Ксантопротеиновая реакция

Реакция Фоля

Заменимые аминокислоты (с перечислением)

Незаменимые аминокислоты (с перечислением)

Протеиногенные аминокислоты

Непротеиногенные аминокислоты (с примерами)

Нестандартные аминокислоты (примеры и функции)

Физико-химические свойства аминокислот

Диализ

Хроматография

Уровни структурной организации белка

Первичная структура белка

Вторичная структура белка

Третичная структура белка

Четвертичная структура белка

Изоэлектрическая точка белка

Альфа-спираль

Бета-складчатость

Связи, участвующие в стабилизации разных уровней структурной организации белка

Знать:

Различные способы классификации аминокислот

Амфотерность аминокислот

Заменимость и незаменимость аминокислот

Процесс биосинтеза белка

Механизм образования пептидов в организме — прицельный (специфический) протеолиз белков или синтез ферментными системами из аминокислот

Примеры непротеиногенных аминокислот (бета-аланин, орнитин, цитруллин, ГАМК) и их биологическую роль в организме,

Роль шаперонов в фолдинге белков

Уровни структурной организации белков (первичная, вторичная, третичная и четвертичная)

Строение и биологические свойства важнейших пептидов: вазопрессин, окситоцин, аспартам, глутатион, карнозин, ангиотензин

Роль убиквитина в деградации внутриклеточных белков

Протеинопатии

Строение важнейших белков (коллаген, эластин, инсулин, пепсин, трипсин, лизоцим, гистоны,)

Методы разделения и анализа аминокислот, белков (высаливание, хроматография, электрофорез, гель-фильтрация, ультрацентрифугирование, секвенирование)

Методы очистки белков (диализ)

Уметь объяснить:

Как заряжается аминогруппа и диссоциирует карбоксильная группа в молекуле аминокислоты

Наличие зарядов в молекуле белка

Какой связью и с какими аминокислотными остатками в белках связываются остатки фосфата, остатки углеводов

Полярность (гидрофильность) и неполярность (гидрофобность) биоорганических молекул, их кислотность, основность и склонность к ОВР

Уметь изображать формулы

20 протеиногенных аминокислот, 5 азотистых оснований, соединять аминокислоты в пептиды и анализировать их состав и заряды

ПЕРЕЧЕНЬ ЗАДАНИЙ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ

ЗАДАНИЕ 1

Перед вами общий план строения α-аминокислот:

Составьте формулы простейших аминокислот, в которых:

а) R = — H,

б) R = — CH₃

Дайте химические и тривиальные названия полученных аминокислот.

В формуле (б) сдвиньте аминогруппу из альфа-положения в бета-положение. Какие биологические изменения возникнут в связи с изменением структуры аминокислоты? Какова биологическая роль бета-аланина?

Пояснение:

ЗАДАНИЕ 2

Допишите формулу аминокислоты, в которой имеется 4 атома углерода, аминогруппа находится в ɣ-положении. Дайте химическое название полученной аминокислоте и предположите ее биологические свойства.

Решение:

— С — С — С — С —

ЗАДАНИЕ 3

Перед вами химическая формула диаминомонокарбоновой аминокислоты лизин (Лиз, Lys, K):

В представленной формуле пронумеруйте все положения углерода, начиная от карбоксильной группы по систематической номенклатуре, а также обозначьте альфа (α), бета (β) и другие положения. Дайте оценку суммарного заряда лизина при рН =7,0; 2,0 и 13,0. С чем связано изменение заряда личина при изменении рН?

Решение:

ЗАДАНИЕ 4

(Примечание: если вы встретили задание со звездочкой, то это задание является немного более сложным. Вы можете сделать попытку выполнить его, либо переходите к следующему заданию.)

Аминокислоты являются амфолитами, для которых характерно наличие рКа1 (α-COOH), pКа2 (α-NH₃⁺). Например, для глицина это значения 2,34 и 9,5. Это легко установить методом кислотно-основного титрования (см рис.)

Рис. 1.

В зависимости от рН функциональные группы аминокислот могут находиться в протонированной и депротонированной форме. В таблице приведены значения рКа для функциональных групп лизина (Лиз). Составьте формулу Лиз при рН 11,5 (щелочное значение), подпишите протонированные и депротонированные группы.

ЗАДАНИЕ 5

Известно, что изоэлектрическая точка амфотерного соединения есть значение рН среды, при котором его суммарный заряд равен нулю.

Для моноаминомонокарбоновых аминокислот это значение легко можно рассчитать по формуле:

Используя данные справочной таблицы, рассчитайте изоэлектрические точки аминокислот Лей, Вал, Фен. Что можно сказать о направлении движения этих аминокислот в электрическом поле, если изменить значение рН среды до сильнокислого (например, рН = 1,5) и сильнощелочного (например, рН = 13,0)?

Расчеты и пояснение:

ЗАДАНИЕ 6*

Подумайте, как рассчитать изоэлектрическую точку для моноаминодикарбоновых аминокислот Глу и Асп? Приведите свой расчет, дайте пояснение исходя их структуры этих аминокислот. Объясните направление движения этих аминокислот в электрическом поле при рН = 7,0 рН = 2,0 и рН = 12,0

Расчеты и пояснение:

Подумайте, как рассчитать изоэлектрическую точку для таких аминокислот, как Арг, Лиз и Гис? Приведите свой расчет, дайте пояснение исходя их структуры этих аминокислот. Объясните направление движения этих аминокислот в электрическом поле при рН = 7,0 рН = 1,5 и рН = 13,0

Расчеты и пояснения:

ЗАДАНИЕ 7

Как вам известно из биологии, биосинтез белка — это сложный биохимический процесс, происходящий по принципам матричных биосинтезов. Образование пептидной связи между остатками аминокислот происходит на рибосомах. В химическом плане образование пептидной связи является примером реакции поликонденсации:

Соедините в дипептиды следующие любые 1–2 пары аминокислот: Гли-Ала; Фен-Гис; Про-Трп; Лиз-Асн; Глу-Иле

Подумайте, какой суммарный заряд будут иметь данные дипептиды при рН=7,0 (нейтральная среда).

Решение:

ЗАДАНИЕ 8

Известно, что водородная связь — форма взаимодействия между более электроотрицательным атомом (например, N, O) и менее электроотрицательным атомом водорода H. Такие связи легко реализуются между молекулами воды, спиртов, между азотистыми основаниями в составе нуклеиновых кислот, а также в пептидах и белках.

Предположим, что биохимик-исследователь работает со смесью следующих аминокислот:

Фен, Асн, Лей, Ала, Глу, Лиз, Вал. Выберите среди них те аминокислоты, радикалы которых могут участвовать в образовании водородных связей в белках. Поясните свой ответ.

Решение:

ЗАДАНИЕ 9

В учебной лаборатории по биохимии на полке находятся следующие флаконы с органическими веществами:

Выпишите названия веществ, которые дают нижеследующие положительные качественные химические реакции:

А) Нингидриновая реакция: _______________________________________________

Б) Ксантопротеиновая реакция:____________________________________________

В) Реакция Фоля: _______________________________________________________

Г) Биуретовая реакция: __________________________________________________

Д) Реакция с нитратом серебра: ___________________________________________

ЗАДАНИЕ 10

На занятии по биохимии студентам предложили проанализировать состав и свойства вещества под названием «Аспакам». Соединение имеет сладкий вкус и следующую химическую формулу.

Проанализируйте химическую структуру аспаркама, выделите в формуле те фрагменты, которые вам уже известны, подпишите их. Предположите область применения этого вещества.

Пояснение:

ЗАДАНИЕ 11

На занятии по биохимии студентам предложили проанализировать состав и свойства пептида следующего строения:

Асп-Цис-Асн-Глн-Сер-Вал-Лиз-Цис-Гис-Гли-Лиз-Иле-Глу-Лей

Один из студентов предположил, что при взаимодействии между боковыми заместителями аминокислот в структуре пептида произойдет образование дисульфидных мостиков, ионных и гидрофобных связей. Чем подтвердить такое предположение? Выпишите пары аминокислот, между которыми действительно возможны такие взаимодействия.

Решение:

________________________________________

________________________________________

ЗАДАНИЕ 12

Дайте характеристику пары аминокислот, выбрав верные утверждения:

ЗАДАНИЕ 13

Дайте характеристику пары пептидов, заполнив колонку с ответами:

ЗАДАНИЕ 14

Допишите формулу тетрапептида, состоящего из протеиногенных аминокислот таким образом, чтобы полученный пептид соответствовал перечисленным характеристикам:

А. Тетрапептид заряжен положительно при нейтральном значении рН.

Б. Тетрапептид содержит ароматическую аминокислоту без гидроксильной группы.

В. Тетрапептид содержит аминокислоту, содержащую гуанидиновый фрагмент

Г. Тетрапептид содержит серосодержащую аминокислоту, которая дает положительную реакцию Фоля.

ЗАДАНИЕ 15 *

15.1. Составьте структурную формулу пентапептида следующего строения:

Цис-Арг-Фен-Глу-Трп

а) Обозначьте N — и С-концы пептида

б) Отметьте регулярно повторяющиеся фрагменты пептида (пептидные связи) и боковые заместители (радикалы) остатков аминокислот.

в) Какие из цветных реакций будут положительны с данным пептидом?

г) Определите суммарный заряд пептида при следующих условиях:

Z=? pH=7,0; Z=? pH=1,0; Z=? pH=12,0

Пояснение:

15.2. В медицине для профилактики и лечения заболеваний суставов используется запатентованный препарат, представляющий собой смесь химически модифицированных пептидов

Ala-Glu-Asp, Lys-Glu-Asp и Lys-Glu.

Данный препарат нормализует морфоструктуры суставных тканей, в том числе цитоархитектоники хрящевой ткани с уменьшением количества хондроцитов, подверженных апоптозу, особенно на конечных его стадиях. Составьте формулы указанных трипептидов. Рассчитайте их суммарный заряд при pH=7,0.

Пояснение:

15.3. В медицине в качестве противовоспалительного и анальгетического средства используется запатентованный препарат, представляющий собой химически модифицированный трипептид: Tyr-Pro-Ser. Составьте формулу указанного трипептида. Рассчитайте его суммарный заряд при pH=7,0; pH=2,0.; pH=12,0.

Пояснение:

ЗАДАНИЕ 16*

На формуле тетрапептида обведите боковые заместители (радикалы) отдельных аминокислот, формирующих пептид, обозначьте N — и С-концы. Выделите пептидные связи. Назовите пептид с учетом того, что аминокислотные остатки пелечисляются от N-конца. Определите суммарный заряд данного тетрапептида при рН = 7,0 рН = 2,0 и рН = 12,0 и укажите направление его движения в электрическом поле (к катоду, к аноду, без движения).

ЗАДАНИЕ 17*

В биохимическую лабораторию направлена смесь из двух пептидов. У исследователей имеется все необходимое оборудование и реактивы для проведения качественного и количественного анализа веществ и их смесей. Установлено, что в составе анализируемой смеси есть пептид, который состоит из β-Ала и Гис, а также пептид, который имеет в составе Глу, Цис и Гли. Было сделано предположение о том, что пептиды, представленные на анализ, являются карнозином и глутатионом.

Составьте формулы предполагаемых пептидов. В чем особенность включения Глу в состав глутатиона? Предположите, какими методами анализа воспользовались биохимики при разделении смеси этих веществ и какие качественные химические реакции на отдельные аминокислоты в составе пептидов они провели. Дайте обоснование.

Решение:

ЗАДАНИЕ 18 *

В таблице представлены характеристики некоторых белков. Используя эти данные предположите методы разделения и анализа трех белков, находящихся в одной смеси:

лизоцим, гамма-глобулин и пепсин. Составьте план разделения. Дайте соответствующие пояснения.

Решение:

1. Особенности структуры и свойств выбранных соединений

2. Выбранные методы анализа

3. Обоснование метода

ЗАДАНИЕ 19*

В таблице представлены характеристики некоторых белков. Используя эти данные предположите методы разделения и анализа трех белков-ферментов, находящихся в одной смеси: рибонуклеаза, лизоцим и ксантиноксидаза. Составьте план разделения. Дайте соответствующие пояснения.

Решение:

1. Особенности структуры и свойств выбранных соединений

2. Выбранные методы анализа

3. Обоснование метода

ЗАДАНИЕ 20*

В таблице представлен аминокислотный состав некоторых белков. Используя эти данные предположите методы разделения и анализа трех белков, находящихся в одной смеси:

пепсин, альбумин, гистон. Составьте план разделения. Дайте соответствующие пояснения.

1. Особенности структуры и свойств выбранных соединений

2. Выбранные методы анализа

3. Обоснование метода