ОСНОВЫ БИОХИМИИ ЛЕНИНДЖЕРА - ТОМ 2. БИОЭНЕРГЕТИКА И МЕТАБОЛИЗМ - 2014
ЧАСТЬ II. БИОЭНЕРГЕТИКА И МЕТАБОЛИЗМ
23. ГОРМОНАЛЬНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ И ИНТЕГРАЦИЯ МЕТАБОЛИЗМА МЛЕКОПИТАЮЩИ
Вопросы и задачи
1. Активность пептидных гормонов.
Объясните, почему два таких похожих по структуре пептидных гормона, как окситоцин и вазопрессин, оказывают в организме столь разное действие (см. рис. 23-10).
2. АТР и фосфокреатин — источники энергии для мышц.
Во время мышечного сокращения концентрация фосфокреатина в скелетных мышцах падает, а концентрация АТР остается довольно постоянной. Однако в классическом эксперименте Роберт Дэвис показал, что обработка мышцы 1-фтор-2,4-динитробензолом (с. 144, 145 в т. 1) вызывает быстрое снижение концентрации АТР, а уровень фосфокреатина не изменяется во время серии сокращений. Предложите объяснение.
3. Метаболизм глутамата в мозге.
Ткани мозга поглощают глутамат из крови, преобразуют его в глутамин и выделяют в кровь. Что достигается этим метаболическим обменом? Как он происходит? Количество глутамина, вырабатываемого в мозге, может существенно превышать количество глутамата, приходящего из крови. Как происходит такое значительное увеличение количества глутамина? Подсказка. Обратитесь к обзору катаболизма аминокислот в гл. 18; помните, что NH4+ очень токсичен для мозга.
4. Белки в качестве топливных молекул при голодании.
При голодании происходит катаболизм белков скелетных мышц. Какова судьба образующихся при этом аминокислот?
5. Отсутствие глицеринкиназы в жировой ткани.
Для биосинтеза триацилглицеринов необходим глицерин-3-фосфат. Жировые клетки, специализированные для синтеза и распада триацилглицеринов, не могут использовать глицерин, потому что в них отсутствует глицеринкиназа, которая катализирует реакцию:
Глицерин + АТР —> глицерин-3-фосфат + ADP
Как в таком случае жировая ткань получает глицерин-3-фосфат, необходимый для синтеза триацилглицеринов?
6. Потребление кислорода вовремя физической нагрузки.
Сидящий взрослый потребляет -0,05 л O2 за 10 с. Спринтер на дистанции 100 м потребляет 1 л O2 за 10 с. После пробега спринтер продолжает дышать с повышенной (но снижающейся) частотой в течение нескольких минут, потребляя на 4 л O2 больше, чем сидящий человек.
а) Почему потребление O2 значительно возрастает при беге?
б) Почему потребность в O2 остается высокой после завершения пробежки?
7. Дефицит тиамина и работа мозга.
При дефиците тиамина у разных людей проявляются сходные неврологические признаки и характерные симптомы, включая потерю рефлексов, повышенную тревожность и провалы в памяти. Почему дефицит тиамина может приводить к изменениям работы мозга?
8. Возможности гормонов.
В норме мозговое вещество надпочечников секретирует адреналин (С9Н13NO3) с такой скоростью, которая обеспечивает поддержание в кровотоке концентрации адреналина 10-10 М. Чтобы вы представляли, что значит эта концентрация, рассчитайте диаметр круглого плавательного бассейна с глубиной воды 2,0 м, который необходим для растворения 1,0 г (около 1 чайной ложки) адреналина с получением концентрации, равной концентрации адреналина в крови.
9. Регуляция уровней гормонов крови.
Время полужизни большинства гормонов крови относительно короткое. Например, когда животному инъецируют радиоактивно меченный инсулин, половина введенного количества исчезает из крови в течение 30 мин.
а) Зачем нужна относительно быстрая инактивация циркулирующих гормонов?
б) Как при такой быстрой инактивации поддерживается в норме постоянный уровень циркулирующих гормонов?
в) Какими путями организм обеспечивает быстрые изменения в уровне циркулирующих гормонов?
10. Сравнение водорастворимых и жирорастворимых гормонов.
По физиологическим свойствам гормоны можно разделить на два типа: 1) хорошо растворимые в воде и нерастворимые в жирах (например, адреналин); 2) плохо растворимые в воде, но хорошо растворимые в жирах (например, стероидные гормоны). Большинство водорастворимых гормонов регулируют клеточную активность, не проникая в клетку-мишень. Липофильные (жирорастворимые) гормоны, напротив, могут проникать в свои клетки-мишени и действовать в ядре. Какова взаимосвязь между растворимостью, локализацией рецепторов и механизмом действия этих двух типов гормонов?
11. Метаболические различия между мышцами и печенью в ситуации «борьба-бегство».
В этой ситуации выделение адреналина вызывает расщепление гликогена в печени, сердце и в скелетных мышцах. Конечный продукт распада гликогена в печени — глюкоза; в скелетных мышцах — пируват.
а) Какова причина образования разных продуктов расщепления гликогена в этих двух тканях?
б) В чем заключается польза для организма, который должен бороться или убегать, в этих двух специфических путях распада гликогена?
12. Секреция избытка инсулина: гиперин- сулинизм.
При некоторых злокачественных опухолях поджелудочной железы β-клетки вырабатывают избыточные количества инсулина. При такой патологии наблюдается тремор и дрожь, слабость и утомляемость, потливость и повышенное чувство голода.
а) Как действует гиперинсулинизм на метаболизм углеводов, аминокислот и липидов в печени?
б) Что вызывает наблюдаемые симптомы? Предположите, почему такие нарушения, если они продолжительны, ведут к повреждениям мозга.
13. Выделение тепла, вызванное гормонами щитовидной железы.
Гормоны щитовидной железы тесно связаны с регуляцией общей скорости метаболизма. При избытке тироксина в ткани печени животных происходит увеличение скорости потребления O2 и увеличение отдачи тепла (термогенез), однако концентрация АТР в тканях остается нормальной. Было предложено несколько объяснений термогенного эффекта тироксина. Есть мнение, что избыток тироксина вызывает разобщение окислительного фосфорилирования в митохондриях. Как это согласуется с экспериментальными наблюдениями? Однако по другой гипотезе, при стимуляции тироксином термогенез в тканях происходит благодаря увеличению скорости потребления АТР. Приемлемо ли такое объяснение? Почему?
14. Функция прогормонов.
Каково возможное преимущество синтеза гормонов в виде прогормонов?
15. Источник глюкозы при голодании.
Взрослый человек в среднем использует 160 г глюкозы в сутки, из которых 120 г потребляет мозг. Запаса глюкозы в организме (в кровотоке циркулирует -20 г глюкозы и -190 г гликогена) достаточно примерно на 1 сут. Как организм получит глюкозу после истощения запасов во время голодания?
16. Парабиотические мыши с генотипом оb/оb.
С помощью тонких хирургических операций исследователи смогли соединить кровеносные системы двух мышей так, что их кровь циркулировала через тела обоих животных. У таких парабиотических мышей вещества, выделенные в кровь одним животным, попадали и к другому животному через общую систему кровообращения. Оба животных ели независимо друг от друга. Что должно случиться с массой каждой мыши, если сделать парабиотическими две мыши: мышь с генотипом оb/оb (обе копии гена ОВ дефектны) и нормальную мышь с генотипом ОВ/ОВ (две активные копии гена ОВ)?
17. Расчет индекса массы тела.
Тучный профессор биохимии весит 260 фунтов (118 кг) при росте 5 футов и 8 дюймов (173 см). Каков его индекс массы тела? На сколько килограммов ему следует похудеть, чтобы его индекс массы тела пришел в норму (25 и ниже)?
18. Секреция инсулина.
Предскажите изменения секреции инсулина β-клетками поджелудочной железы при воздействии калиевой соли ионофора валиномицина. Объясните свои рассуждения.
19. Отсутствие рецептора инсулина.
Выяснилось, что у чистой линии мышей, у которых искусственно удалены инсулиновые рецепторы
гепатоцитов, при голодании наблюдается повышение содержания глюкозы в крови (уровеньглю- козы крови 132 мг/дл по сравнению с 101 мг/дл в контрольной группе) и выраженная гипергликемия при нормальном питании. У таких мышей повышен уровень глюкозо-6-фосфата в клетках печени и уровень инсулина крови. Объясните эти наблюдения.
20. Безопасность лекарственных препаратов.
Лекарственный препарат росиглитазон (Авандия) эффективно снижает уровень глюкозы крови при диабете II типа. Однако выяснилось, что прием этого препарата сопряжен с повышенным риском инфаркта миокарда. Если бы вам предстояло сделать выбор — продолжить выпуск препарата (указав в его описании возможность нежелательного побочного действия) или снять его с производства — какими бы критериями вы пользовались при принятии решения?
21. Действие лекарств, направленных на лечение диабета II типа.
Препараты акарбоза (Прекоза) и миглитол (Глисет), используемые для лечения сахарного диабета II типа, ингибируют α-глюкозидазы в щеточной каемке тонкой кишки. Эти ферменты расщепляют олигосахариды, образующиеся из гликогена или крахмала, на отдельные моносахариды. Объясните механизм лечебного эффекта этих препаратов на больных диабетом. Каким побочным действием (если такое имеется) мог бы сопровождаться прием этих препаратов? Почему? Подсказка. Обратитесь к материалу по непереносимости лактозы, с. 88.
Анализ экспериментальных данных
22. Клонирование рецептора сульфонилмочевины из β-клеток поджелудочной железы.
Глибурид, препарат из группы производных сульфонилмочевины, описанных на с. 599, используется для лечения диабета II типа. Он связывается с АТР-зависимыми калиевыми каналами (см. рис. 23-28 и 23-29) и блокирует их работу.
а) Учитывая механизм, изображенный на рис. 23-28, предскажите, приведет ли прием глибурида к повышению или к понижению секреции инсулина β-клетками поджелудочной железы. Объясните свои рассуждения.
б) Как глибурид помогает ослабить симптомы диабета II типа?
в) Как вы считаете, поможет ли глибурид в лечении диабета I типа? Объясните свои рассуждения.
Агиляр-Брайан с соавторами (1995) клонировали ген рецептора сульфонилмочевины (SUR) из АТР-зависимого калиевого канала клеток хомячка. Ученым пришлось провести множество исследований, чтобы убедиться в том, что клонированный ген действительно кодировал SUR. Здесь мы опишем путь, который пришлось им проделать, чтобы показать, что они клонировали именно этот ген, а не какой-либо другой.
Первым этапом было получение чистого белка SUR. Уже было известно, что такие препараты, как глибурид, связываются с SUR с очень высоким сродством (Kd <10 нМ), и что белок SUR имеет молекулярную массу от 140 до 170 кДа. Агиляр-Брайан с соавторами использовали высокое сродство связывания с глибуридом, чтобы ввести в белок SUR радиоактивную метку, которая служила бы маркером при выделении белка из клеточного экстракта. Они синтезировали меченное радиоактивной меткой производное глибурида, используя радиоактивный иод (125I):
г) В ранних исследованиях было показано, что у меченного радиоактивным иодом производного глибурида (далее будем обозначать его [125I]1глибурид) то же значение константы Кd и те же характеристики связывания, что и у обычного глибурида. Зачем нужно было это подтверждать? (Какие альтернативные возможности были при этом исключены?)
Даже при высоком сродстве связывания [125I] глибурида с SUR следовало учитывать, что значительная часть меченого препарата может отщепляться от белка SUR в процессе выделения. Чтобы предотвратить эту возможность, следовало присоединить [125I] глибурид к белку ковалентной связью. Существует множество методов получения ковалентных поперечных сшивок; Агиляр-Брайан с соавторами выбрали метод, заключающийся в обработке ультрафиолетовым светом. При обработке ароматических соединений коротковолновым ультрафиолетовым излучением происходит их переход в возбужденное состояние, в результате чего они легко образуют ковалентные связи с соседними молекулами. Ковалентное присоединение радиоактивного глибурида к белку SUR позволило исследователям следить за присутствием этого белка в процессе очистки по наличию радиоактивности 125I.
Агиляр-Брайан с соавторами обработали HIT-клетки хомячка (в которых экспрессируется SUR) меченым глибуридом, подействовали УФ- излучением, выделили 125I-меченый белокс молекулярной массой 140 кДа и определили последовательность 25 аминокислотных остатков на его N-конце. Последовательность оказалась следующей: PLAFCGTENHSAAYRVDQGVLNNGC. Далее были получены антитела, которые связывались с двумя короткими участками из этой последовательности: одни — с последовательностью PLAFCGTE, а другие — с последовательностью HSAAYRVDQGV. Наконец, было показано, что оба типа антител связываются с очищенным 125I-меченым белком, имеющим молекулярную массу 140 кДа.
д) Зачем нужно было проверять связывание белка с антителами?
Далее исследователи синтезировали праймеры для ПЦР, основываясь на приведенной выше последовательности, и клонировали из кДНК- библиотеки ген хомячка, кодирующий белок, содержащий данную последовательность (соответствующие методы биотехнологии описаны в гл. 9, т. 1). Предполагаемую клонированную последовательность кДНК гена SUR гибридизовали с мРНК подходящей длины из клеток, в которых содержался белок SUR. Предполагаемая кДНК SUR не гибридизовалась ни с какой фракцией мРНК из гепатоцитов, в которых белок SUR не экспрессировался.
е) Зачем нужно было проводить анализ гибридизации, предполагаемой кДНК SUR с мРНК?
Наконец, клонированный ген встраивали и экспрессировали в клетках COS, которые в норме не экспрессируют ген SUR. Клетки смешивали с [125I] глибуридом в присутствии избытка немеченого глибурида и без него, воздействовали УФ-излучением и измеряли радиоактивность образовавшегося белка, имеющего молекулярную массу 140 кДа.
ж) Почему в эксперименте 2 не было обнаружено меченого белка с молекулярной массой 140 кДа?
з) Как на основании данных таблицы показать, что выделенная кДНК кодирует белок SUR?
и) Какая дополнительная информация нужна для получения полной уверенности в том, что клонирован именно ген SUR?