Биохимия и молекулярная биология Методические указания

Министерство образования Российской Федерации
Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова
Кафедра общей и биоорганической химии
Биохимия и молекулярная биология
Методические указания
Ярославль 2000
ББК Е072
Б 63
УДК 577.1 (075.8)
Составители: Г.А. Урванцева, Е.Л. Грачева.
Биохимия и молекулярная биология: Метод. указания по курсу
/ Сост. Г.А. Урванцева, Е.Л. Грачева; Яросл. гос. ун-т. Ярославль, 2000.
16 с.
Приводятся вопросы по основным разделам курса, вопросы к коллоквиумам.
Предназначены для студентов-биологов 2-го курса, изучающих
биохимию.
Рецензент: кафедра общей и биоорганической химии Ярославского
государственного университета
© Ярославский государственный
университет, 2000
© Г.А. Урванцева, Е.Л. Грачева, 2000
Биология и молекулярная биология
Методические указания по курсу
Составители: Урванцева Галина Александровна
Грачева Укатерина леонидовна
Редактор, корректор А.А. Антонова
Компьютерная верстка И.Н. Ивановой
Лицензия ЛР№ 020319 от 30.12.96.
Подписано в печать 23.03.2000. Формат 60×84/16.
Бумага тип. Усл.-печ. л. . Уч.-изд. л. .
Тираж 100 экз. Заказ .
Оригинал-макет подготовлен в редакционно-издательском отделе
ЯрГУ.
Отпечатано на ризографе.
Ярославский государственный университет.
150000 Ярославль, ул. Советская, 14.
2
Технологическая карта изучения курса “Биохимия” по системе РИТМ (IV семестр, 2-й
курс факультета биологии и экологии, специальность “биология”)
Распределение баллов
по отдельным видам работ
Обозначения:
ЛР – лабораторная работа
БК – безмашинный контроль по
теме
ТК – тестовый контроль по теме
К – коллоквиум
С0 – начальная стоимость работ в
баллах
Таблица 1
№
1.
Наименование темы ( модуля)
Форма конБаллы (С0)
троля
3*3 = 9
Белки: химический состав, классифика- ЛР-1, 2, 3
6*3 = 18
ция, аминокислоты, свойства и структу- БК-А, Б, В
13*1 = 13
ТК-I
ра белков, номенклатура и
Итого:
классификация белков (3 занятия)
40 баллов
2.
Нуклеиновые кислоты: строение,
функции, структура
(2 занятия)
ЛР-8,9
БК-Д
ТК-III
3*2 = 6
6*1 = 6
13*1 = 13
Итого:
25 балла
3.
Ферменты: химическая природа,
функциональные центры, понятие о
кинетике и механизме действия,
свойства и классификация ферментов
(2 занятия)
ЛР-6,7
БК-Г
ТК-II
3*2 = 6
6*1 = 6
12*1 = 12
Итого:
24 балла
4.
Обмен белков и нуклеиновых кислот
(1 занятие)
К-I
10*1 = 10
Итого:
10 баллов
5.
Углеводы и их обмен: строение,
свойства углеводов, анаэробные и
аэробные превращения углеводов.
Биоэнергетика, фотосинтез (3 занятия)
ЛР-10
БК-Е
К-II
3*1 = 3
6*1 = 6
10*1 = 10
Итого:
19 баллов
6.
Липиды и их обмен: классификация,
строение, свойства, триглицериды и
фосфолипиды. Обмен триглицеридов
(2 занятия)
ЛР-12,13
БК-Ж
3*2 = 6
6*1 = 6
Итого:
12 баллов
7.
Тест выходного контроля
Молекулярная биология
18*1 = 18
8*1 = 8
(1 занятие)
Итого
Лекции
156 баллов
23 балла
3
15 баллов
194 балла
Тест входного контроля
Всего
Расчет баллов за одну работу:
СЛЗ = С0 * К1 * К2; СБК,ТК,К = С0 * К2 * К3.
С0- начальная стоимость работ в баллах;
К1, К2, К3 - коэффициенты, определяемые по табл. 2 - 4.
Таблица 2
Оценка
К1
5
4
3
1
0,8
0,6
Таблица 3
Срок сдачи
К2
Досрочно
в срок
1-я неделя
2-я неделя
3-я неделя
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
Таблица 4
Переписывание, сдача
К3
в срок
1-е переписывание
2-е переписывание
3-е переписывание
1,0
0,9
0,8
0,7
Условия:
1. Минимальный порог прохождения контрольных точек – 50% и
выше.
2. После каждого модуля будут вывешиваться хит-парады (по сумме набранных баллов).
3. В рейтинг идут баллы, полученные с первого раза в установленные сроки.
Отработки: А. Без уважительной причины за отработанную ЛР –
0 баллов, БК - 50% баллов.
Б. По уважительной причине (справка) – все заработанные баллы.
4. Сумма призовых баллов не должна превышать 10% от суммы
набранных баллов в течение семестра.
На каждого студента будет заведена индивидуальная “чековая
книжка”, куда будет записываться индивидуальный кумулятивный
балл.
5. Итоговая оценка: 184,3 и выше - “5” (0,95 и выше)
4
155,2 – 184,29 - “4” (0,8-0,95)
135,8 – 155,19 - “3” (0,7-0,8)
Если итоговая оценка, соответствующая набранной в течение семестра сумме баллов, удовлетворяет студента, он освобождается от экзамена.
Желающие могут сдать экзамен, добирая до 30% баллов от набранной в течение семестра суммы.
ПРИЗОВОЙ ФОНД БАЛЛОВ
1. Призовые места на биохимической олимпиаде:
а) ЯрГУ 1-е место – 20 баллов,
2-е место – 15 баллов,
3-е место – 10 баллов.
б) Всероссийской: до 50 баллов.
2. Активная работа на лекции: от 1 до 5 баллов.
3. Активная работа во время лабораторной работы (рац. предложения, разработка нового лабораторного опыта, идеальный результат): от
1 до 3 баллов.
4. Активная работа во время семинара (использование дополнительной литературы, новейших данных и др.): от 1 до 5 баллов.
5. Доклад на научной студенческой конференции по биохимии: до
10 баллов.
6. Разработка усложненного (проблемного) вопроса с ответом: до 5 баллов.
7. Решение кроссвордов: до 3 баллов.
Сводные вопросы
Тема А. Аминокислоты
1. Напишите в виде внутренних солей формулы аминокилот:
а) аминоуксусной (глицина),
б) α-аминопропионовой (аланина).
2. Напишите схемы взаимодействия α-аминопропионовой кислоты:
а) с водным раствором щелочи при комнатной температре,
б) с соляной кислотой.
3. Напишите формулы оптических изомеров цистеина, алнина.
4. Напишите формулы серосодержащих аминокислот.
5. Какие аминокислоты содержат гетероциклы в радикале? Напишите их формулы и названия.
6. Напишите формулы аминокислот:
а) с гидрофобными (неполярными) радикалами,
б) с незаряженными полярными радикалами,
в) с отрицательно заряженными радикалами,
г) с положительно заряженными радикалами.
7. Напишите формулы дипептидов: а) аланил-лейцина, б) лизилвалина, в) глицил-триптофана. Отметьте пептиные связи.
8. Напишите формулы и назовите трипептиды: а) ала-лиз-асп, б)
вал-три-про, в) тир-гли-гли.
9. Рассмотрите особенности пептидной связи, объясните причины
этих особенностей и следствия, вытекающие из них.
5
Тема Б. Физико-химические свойства аминокислот,
пептидов и белков
1. Напишите формулы аминокислот, имеющих в растворе:
а) кислую реакцию, б) щелочную реакцию.
2. В какой области значений рН и почему находится изоэлетрическая точка:
а) кислой, б) нейтральной, в) основной аминокислоты.
3. Что обозначают величины рН, рК, рНi? Рассмотрите кривые титрования аминокислот.
4. Напишите формулу пептида гли-ала-асп-про-три. Определите
его поведение в электрическом поле, в нейтральной среде.
5. Напишите пептид: глу-ала-вал-цис. В какой среде находится его
изоэлектрическая точка?
6. Напишите пептид: асн- глу- вал- арг и укажите его суммарный
заряд в кислой среде.
7. Напишите пептид: фен-гли-цис-про-асп. В какой среде находится
его изоэлектрическая точка? Ответ обоснуйте.
8. Напишите формулу пептида: глу-три-тре-про-вал и укажите его
суммарный заряд в слабокислой и нейтральной среде.
9. В какой области рН находится изоэлектрическая точка кислых и основных пептидов? Ответ обоснуйте.
10. Чем объясняется устойчивость белковых растворов?
11. Почему белковые растворы неустойчивы вблизи изоэлектрической точки?
12. Что такое денатурация белков? Приведите примеры обратимой
и необратимой денатурации.
Тема В. Структура белков
1. Какие продукты получаются при действии трипсина на пептид:
лиз-асп-гли-ала-глу-тре?
2. Какие продукты получаются при действии химотрипсина на пептид: ала-лиз-глу-глу-фен-гли-мет-тир-три?
3. Определите N-концевую аминокислоту в пептиде гли-сер-илетре с помощью динитрофторбензола.
4. Определите N-концевую аминокислоту в пептиде вал-цис-тир по
методу Эдмана.
5. Определите N-концевую аминокислоту в пептиде ала-вал-лиз с
помощью дансила.
6. Определите С-концевую аминокислоту в пептиде вал-иле-гли с
помощью гидразина.
7. Каковы этапы установления первичной структуры белковой молекулы?
8. α-спираль и ее параметры (шаг спирали, число аминокислот в
витке, высота аминокислотного остатка).
9. Каковы причины, нарушающие регулярность вторичной структуры белков? Перечислите аминокислоты, дестабилизирующие αспираль.
10. Укажите типы связей, стабилизирующие третичную структуру
белков. Схемы ковалентных связей в этой структуре.
6
11. Приведите примеры аминокислот, участвующих в образовании
ионных связей в белках. Изобразите схемы ионных связей.
12. Приведите примеры аминокислот, участвующих в образовании
водородных связей в третичной структуре белков. Изобразите варианты
водородных связей (не менее 6 между радикалами этих аминокислот).
13. В формировании третичной структуры белка принимают участие фрагменты:
…цис-глу-иле-сер...
…цис-лиз-ала-асн...
Покажите схемы всевозможных взаимодействий.
14. Укажите взаимодействие в третичной структуре между фрагментами:
…тир-тре-глу-цис-ала...
…асп-гис-арг-цис-лей...
15. В связывании субъединиц четвертичной структуры белка участвуют радикалы: глу, сер, гис, лиз. Покажите схемой все возможные
взаимодействия.
16. Укажите все взаимодействия между фрагментами белковой молекулы:
…глу-вал-лей-цис-тир
…арг-вал-лей-цис-гис
17. Приведите схемы взаимодействия контактных участков субъединиц белка с участием радикалов ала, гис, тре, иле, асп.
Тема Г. Ферменты
1. Формулы ФМН, ФАД, участие этих коферментов в обменных
процессах.
2. Формулы и функции НАД+, НАДФ+.
3. Формула и функции пиридоксальфосфата.
4. Формула КоА. Характеристика его составных частей.
5. Тиаминпирофосфат, строение и функции.
6. Убихинон, строение и функции.
7. Формула УДФ-глюкозы. В каком обмене участвует этот кофермент?
8. Назовите ферменты, участвующие в следующиих превращениях:
а) асп + ПВК → ала + ЩУК,
б) глу + ПВК → ала + α-кетоглуторат,
в) глюкоза + АТФ → глюкозо-6-фосфат + АДФ,
г) ацетил-КоА + глу → ацетилглутамат + КоА,
д) АТФ + ПВК + СО2 → АДФ + ЩУК + Н3РО4,
е) УДФ-глюкоза → УДФ-галактоза,
ж) ала + СО2 + АТФ → асп + АДФ + Ф,
з) лактат + НАД+ → пируват + НАДН ⋅Н+.
9. Напишите формулами превращения и укажите ферменты реакций:
а) асп + α-кетоглуторат → ала + ЩУК,
б) тир + α-кетоглуторат → глу + α-оксифенил-пируват,
в) сукцинат + ФАД → фумарат + ФАД⋅Н2,
г) АТФ + галактоза → АДФ + галактоза-6-фосфат,
д) ацетил-КоА + асп → КоА + ацетил-асп.
7
10. Приведите два примера реакций действия первичных дегидрогеназ.
11. Приведите два примера реакций, катализируемых гидролазами.
12. Составьте схему превращений, указав фермент:
α-кетоглуторат → глу.
13. Приведите примеры реакций, катализируемых трансферазами.
Тема Д. Нуклеиновые кислоты
1. Какие вещества образуются при гидролизе нуклеиновых кислот?
2. Напишите открытую и циклическую форму Д-рибозы. Приведите схему образования уридина.
3. Напишите в двух таутомерных формах каждое из следующих
оснований: гуанин, урацил, тимин, цитозин. Какие основания комплементарны друг другу? Покажите характер водородных связей между
ними.
4. Напишите формулы: а) 5-метилцитозина, б) дезоксиаденозина,
в) ГТФ, г) УМФ. К какому классу соединений относится каждое из них?
5. Что такое нуклеотиды? Напишите следующие формулы:
а) гуанозинфосфат,
б) дезоксигуанозинфосфат,
в) уридинфосфат,
г) аденозинфосфат.
6. Напишите фрагмент нуклеиновой кислоты, имеющей следующий состав оснований: -Ц-Г-У-А-, и составьте комплементарную последовательность этого фрагмента.
7. Напишите формулу олигонуклеотида, имеющего следующий состав оснований: Г-Т-Ц.
8. В чем сходство и отличия в строении РНК и ДНК? Ответ поясните формулами.
9. Виды нуклеиновых кислот, их характеристики по молекулярной
массе, локализация в клетке.
10. Каковы функции РНК? Охарактеризуйте функции р-РНК, тРНК, и-РНК.
11. Сопоставьте функции ДНК и РНК в клетке.
12. Примеры РНК с расшифрованной первичной структурой. Назовите сходные участки в молекулах т-РНК.
13. Варианты вторичной структуры ДНК. Характеристика двойной
спирали Уотсона и Крика.
14. Перечислите взаимодействия, которые обеспечивают стабильность двойной спирали ДНК.
15. Особенности вторичной структуры РНК.
16. Вторичная структура т-РНК. Охарактеризуйте функциональные
центры т-РНК.
17. Третичная структура ДНК и РНК.
18. Перечислите все известные на сегодня нуклеопротеидные комплексы.
Тема Е. Распад углеводов
I. Обмен ПВК
8
1. Напишите уравнение реакции превращения ПВК в молочную кислоту. Укажите фермент, осуществляющий это превращение.
2. В чем различие между анаэробным гликолизом и гликогенолизом?
3. Составьте суммарное уравнение реакции анаэробного гликолиза.
4. Представьте схему заключительного этапа спиртового брожения.
Назовите ферменты.
5. Составьте суммарное уравнение реакции спиртового брожения.
6. Какими реакциями отличается анаэробный гликолиз от спиртового брожения?
7. Составьте схему окислительного декарбоксилирования ПВК,
укажите ферменты, осуществляющие этот процесс.
8. Перечислите коферменты, принимающие участие в окислительном декарбоксилировании ПВК.
9. Какие конечные соединения образуются при анаэробном и
аэробном гликолизе, гликогенолизе, спиртовом брожении и окислительном декарбо-ксилировании ПВК.
II. Цикл ди- и трикарбоновых кислот
1. Напишите уравнение реакции конденсации ацетил-КоА и ЩУК с
образованием цитрил-КоА.
2. Составьте схему цикла ди- и трикарбоновых кислот. Назовите
ферменты, осуществляющие соответствующие реакции этого цикла.
3. Покажите в виде схемы превращение трикарбоновых кислот в
цикле ди- и трикарбоновых кислот.
4. Напишите схему превращения янтарной кислоты в ЩУК. Укажите ферменты, принимающие участие в этом превращении.
5. Напишите уравнения реакций превращения изолимонной кислоты в сукцинил-КоА. Назовите ферменты этого превращения.
6. Какая стадия цикла ди- и трикарбоновых кислот сопряжена с ресинтезом ГТФ? Напишите схему этого процесса.
7. Составьте схему превращения α-кетоглутаровой кислоты в янтарную кислоту. Назовите ферменты этого превращения.
8. Перечислите ферменты, принимающие участие в цикле ди- и
трикарбоновых кислот и относящихся к классу: оксидоредуктаз, лиаз,
лигаз.
III. Энергетический баланс распада углеводов
1. Приведите схему расположения основных компонентов дыхательной цепи митохондрий.
2. Укажите локализацию точек фосфорилирования в дыхательной
цепи митохондрий.
3. Определите число молекул АТФ, синтезирующихся при:
- распаде молекулы глюкозо-6-фосфата до ПВК,
- спиртовом брожении одной молекулы глюкозы,
- анаэробном гликолизе, если в реакцию вовлекается одна молекула
глюкозы,
- окислительном декарбоксилировании одной молекулы ПВК.
4. Рассчитайте число молей АТФ, образовавшихся при:
- биологическом окислении малата в оксалоацетат,
- превращение изолимонной кислоты в янтарную.
9
5. Каков энергетический эффект цикла ди- и трикарбоновых кислот?
Тема Ж. Липиды, обмен липидов
1. В состав свиного жира входят триглицериды: а) трипальмитин,
б) триолеин, в) олеодипальмитин, г) пальмитостеароолеин. Напишите
формулы перечисленных триглицеридов. Какие из них являются простыми и какие смешанными?
2. Напишите формулы:
а) фосфатидилэтаноламина (кефалина),
б) фосфатидилхолина (лецитина),
в) фосфатидилсерина.
3. Напишите уравнение реакции гидролиза тристеарина.
4. Напишите уравнение реакций, протекающих по следующей схеме:
ГЛИЦЕРИН
глицерокиназа
X
глицерофосфат
дегидрогеназа
Y
Триозофосфат
Изомераза
Z
Назовите промежуточные и конечные продукты превращения.
5. Напишите уравнения реакций, протекающих по следующей схеме:
Пальмитиновая
кислота
еноил-КоАгидратаза
ацил-КоАсинтетаза
Z
β-оксиацилКоАдегидрогеназа
Х
А
ацил-КоАдегидрогеназа
β-кетоацилКоА-тиоэстераза
У
В
Назовите промежуточные и конечные продукты реакций.
6. Энергетический эффект полного окисления молекулы глицерина
в анаэробных условиях.
7. Энергетический эффект полного окисления стеариновой кислоты, тристеарина.
8. Подсчитайте энергетический выход полного окисления трипальмитина.
9. Выберите сочетание ключевых слов (парные обозначения буквами А, Б, В и Г) и смысловых завершающих предложений (обозначены
буквами а, б, в, г):
А – йодное число, Б – кислотное число, В – эфирное число, Г - число омыления;
а – позволяет оценить содержание свободных жирных кислот в жире;
б – свидетельствует о содержании в жире свободных и связанных
(в форме триглицеридов) жирных кислот;
в – характеризует степень ненасыщенности жиров;
г – выявляет содержание в жире связанных сложноэфирной связью
остатков жирных кислот.
10. Рассчитайте кислотное число масла, если навеска его составляет 0,2521 г, а на титрование было затрачено 1,2 мл 0,1 н. раствора гидроксида калия?
10
11. Что означает: йодное число сливочного масла – 30, йодное число человеческого жира – 64, йодное число конопляного масла – 150?
12. На что указывает высокое число омыления? Малые числа?
13. Посредством каких химических реакций осуществляется синтез
высших жирных кислот из глюкозы (показать в виде схемы)?
14. Каков путь превращения жирных кислот в три-глицерин (триглицериды)? Каково биологическое значение этих процессов?
Вопросы к коллоквиуму № 1
Обмен нуклеиновых кислот и белков
1. Распад нуклеиновых кислот в живых организмах. Классификация нуклеаз.
2. Распад нуклеозидмонофосфатов (нуклеотидов).
3. Распад пуриновых и пиримидиновых оснований.
4. Репликация ДНК. Значение, механизм.
5. Матричный синтез РНК (транскрипция). Характеристика РНКполимеразы.
6. Реакция обратной транскрипции и ее значение.
7. Распад белков в живых организмах. Протеолитические ферменты. Гидролиз белков в желудочно-кишечном тракте позвоночных.
8. Распад аминокислот по аминогруппе. Окислительное дезаминирование аминокислот, реакция переаминирования.
9. Распад аминокислот по карбоксильной группе и радикалу.
10. Конечные продукты распада аминокислот. Орнитиновый цикл.
11. Пути биосинтеза аминокислот.
12. Матричная схема биосинтеза белков (в общем виде).
13. Процесс активирования аминокислот.
14. Механизм сборки полипептидной цепи.
15. Теория кодирования в белковом синтезе. Характерные особенности генетического кода.
Литература
1. Филиппович Ю.Б. Основы биохимии. 2-е изд., перераб. и доп. М.:
Высш. школа, 1985. С. 224-297.
2. Основы биохимии / Под ред. А.А. Анисимова. М.: Высш. школа,
1986. С. 213-237, 248-273, 290-307.
3. Ленинджер А. Основы биохимии. М.: Мир, 1985. Т. 2. С. 653-676;
Т. 3. С. 894-913, 926-943, 948-949.
Вопросы к коллоквиуму № 2
Обмен углеводов
1. Пути распада углеводов в живых организмах. Значение.
2. Распад поли- и олигосахаридов. Гидролиз и фосфоролиз.
3. Распад полисахаридов в желудочно-кишечном тракте животных
и человека.
4. Превращения моносахаридов. Пути образования глюкозо-6фосфата и значение этого соединения.
5. Анаэробный гликолиз. Значение, молекулярный механизм, энергетический эффект. Субстратное фосфорилирование.
11
6. Гликогенолиз. Молекулярный механизм и энергетический эффект.
7. Химизм спиртового брожения. Конечные продукты, энергетический выход.
8. Основные этапы дыхания. Значение. Окислительное декарбоксилирование пирувата.
9. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса) и его значение.
10. Дыхательная цепь ферментов.
11. Энергетический эффект дыхания.
12. Энергообеспечение живых организмов, биоэнергетика.
13. Окислительное фосфорилирование. Механизм синтеза АТФ при
окислительном фосфорилировании.
14. Хемиосмотическая гипотеза Митчелла. Электрохимический потенциал ионов водорода, ΔμН, его значение.
15. Понятие о пентозофосфатном цикле окисления углеводов.
16. Синтез моносахаридов автотрофными и гетеротрофными организмами.
17. Фотосинтез.
18. Синтез олиго- и полисахаридов.
Литература
1. Филиппович Ю.Б. Основы биохимии. 2-е изд., перераб. и доп. М.:
Высш. школа, 1985. С. 333-375, 419-437.
2. Основы биохимии / Под ред. А.А. Анисимова. М.: Высш. школа,
1986. С. 338-385.
3. Ленинджер А. Основы биохимии. М.: Мир, 1985. Т. 2. С. 439461, 477-495, 508-543, 601-605.
12
13