Раздел 3. Обмен веществ и энергии

1. Какова химическая природа АТФ и свойства этого соединения? Каким образом АТФ связывает между собой процессы катаболизма и анаболизма? Как можно объяснить факт того, что ежедневно в организме взрослого человека образуются значительные количества АТФ (около 46 кг), а вес тела, его конституция и состав за этот период существенно не меняются?

2. Какой процесс получил название «гликолиз»? Какое количество молекул АТФ образуется при деструкции одной молекулы глюкозы до молочной кислоты? Ответ аргументируйте. Каково физиологическое значение этого процесса для человека? В каких пищевых технологиях используется этот процесс?

3. Каков энергетический баланс деструкции одной молекулы глюкозы по пути спиртового брожения? Сделайте соответствующие расчеты, приведите химизм процесса и суммарное уравнение спиртового брожения. В каких пищевых технологиях используется этот процесс?

4. Какой процесс получил название «дыхание»? Объясните энергетический эффект полного окислительного распада одной молекулы глюкозы по пути дыхания. Произведите расчеты, укажите энергетический эффект по отдельным этапам. В чем заключается отличие дыхания от гликолиза и каким образом они взаимодействуют?

5. Покажите отличие окисления на уровне янтарной кислоты от окисления на уровне яблочной кислоты с участием дегидрогеназ в цикле Кребса. Напишите уравнения ферментативных реакций и объясните, сколько молекул АТФ дают эти реакции при условии сопряжения окисления с фосфорилированием АДФ на уровне дыхательной цепи ферментов митохондрий?

6. Покажите отличие окислительного фосфорилирования на уровне дыхательной цепи переноса электронов от фосфорилирования АДФ на уровне субстрата. Приведите примеры, иллюстрирующие пути синтеза АТФ в организме.

7. Покажите взаимосвязь процессов спиртового брожения и дыхания у растительных организмов. Каков энергетический баланс брожения и дыхания? Почему дыхание приводит к потерям пищевого сырья растительного происхождения при хранении? Как снизить потери сырья?

8. Охарактеризуйте цикл Кребса. Какова его роль в жизнедеятельности? Используя схему превращений метаболитов в цикле Кребса, укажите этапы дегидрирования метаболитов. Напишите уравнения ферментативных реакций и, учитывая особенности передачи энергии на синтез АТФ через систему дыхательных ферментов митохондрий, подсчитайте число синтезированных молекул АТФ за один цикл превращения.

9. Известно, что крахмал, накапливающийся в листьях при фотосинтезе, может чрезвычайно быстро превращаться в сахарозу, которая перетекает из листа в семена, клубни и луковицы, где она снова превращается в крахмал. Раскройте схему взаимопревращений крахмала и сахарозы, если установлено, что амилазы не принимают в этом участия:

H₃PO₄ УТФ H₄P₂O₇ фруктозо-6-фосфат

крахмал Û глюкозо-1-фосфат ¾¾® УДФ-глюкоза

H₂O H₃PO₄ УДФ

сахарозо-6-фосфат сахароза

 

Чтобы сохранить сладкий вкус свежесобранной кукурузы, очищенные початки помещают на несколько минут в кипящую воду (бланшируют), а затем охлаждают в холодной воде. Кукуруза, обработанная таким образом и хранящаяся в замороженном виде, сохраняет свой сладкий вкус. В чем биохимическая основа такой обработки? Ответ аргументируйте, проработав схему взаимопревращений крахмала и сахарозы.

10. Чем различаются процессы синтеза углеводов у автотрофов и гетеротрофов? Приведите соответствующие схемы процессов и этапы фотосинтеза и глюконеогенеза.

11. Охарактеризуйте этапы и ферменты распада поли- и олигосахаридов до моносахаридов. В чем отличие процессов гидролиза и фосфоролиза? В каких пищевых технологиях используют гидролиз полисахаридов?

12. Что такое усваиваемые и неусваиваемые углеводы? Какие функции в организме человека выполняют представители этих групп углеводов?

13. Чем вызвана непереносимость молока у некоторых людей и каковы клинические симптомы двух форм галактоземии? Какие продукты накапливаются в крови и тканях при нарушении обмена галактозы и каковы последствия их накопления в организме?

Известно, что последствия двух форм галактоземии обусловлены недостаточностью ферментов вследствие генетической мутации в одном случае – галактокиназы, в другом – галактозо-1-фосфат-уридилтрансферазы). Приведите последовательность реакций превращения D-галактозы в D-глюкозо-6-фосфат.

14. Дайте определение понятию «липиды». На какие группы веществ их можно разделить? Приведите примеры основных групп липидов, распространение в природе и биологические функции.

15. Дайте определение термину «прогоркание жиров». Каков его механизм, и какие факторы влияют на окисление жиросодержащих пищевых продуктов или пищевого сырья? Какова роль ферментативного комплекса (липазы и липооксигеназы) в ухудшении качества пищевых жиров и жиросодержащих пищевых продуктов (масличные семена, мука, крупа, кондитерские изделия) при хранении?

В чем причина снижения пищевой и физиологической ценности пищевых продуктов, и какую опасность для человека представляет употребление испорченных продуктов?

16. Почему пищевые жиры и масла должны быть обязательными компонентами пищи? Каким ферментативным превращениям подвергаются они в организме человека? Какова роль незаменимых (эссенциальных) компонентов растительных жиров и масел (непредельных жирных кислот, фосфолипидов, жирорастворимых витаминов), определяющих их биологическую эффективность? Каковы последствия недостатка незаменимых жирных кислот? Какие продукты отличаются высоким содержанием незаменимых высших жирных кислот?

17. Каковы последствия пребывания на рационе с высоким содержанием жиров, но без углеводов? Как сказалось бы отсутствие углеводов в рационе на использовании жиров в качестве источника энергии? Как бы это отразилось на активности цикла Кребса? Ответ аргументируйте с позиций взаимосвязи обмена углеводов и жиров и их энергетической значимости.

18. У взрослого человека, массой примерно 70 кг, 15% тела приходится на долю нейтральных жиров (триглицеридов). Вычислите общий запас топлива в ккал, содержащегося в организме в форме триглицеридов.

Как долго мог бы прожить этот человек, если единственным источником энергии для его организма было окисление высших жирных кислот, входящих в состав триглицеридов, например, трипальмитилглицерола. В расчете исходите из того, что суточная потребность взрослого человека в энергии в условиях покоя равна приблизительно 2000 ккал (1 ккал = 4,18 кДж, при окислении 1 г жира выделяется 39,9 кДж энергии).

19. Опишите основные этапы гидролитического распада жиров на примере тристеарина с последующим b-окислением стеариновой кислоты. Обоснуйте более высокую энергетическую эффективность распада жиров по сравнению с распадом углеводов.

20. Какие соединения называют фосфолипидами? Опишите их структуру, распространение в природном пищевом сырье, биологические функции. Каковы свойства и роль фосфолипидов в пищевых технологиях и питании человека?

21. Посредством каких реакций осуществляется биосинтез триглицеридов? Приведите ферментативные реакции биосинтеза трипальмитина. Сколько молекул АТФ необходимо для образования этого триглицерида из глицерина и пальмитиновой кислоты?

22. Сколько молекул АТФ образуется за один цикл b-окисления миристиновой кислоты (С₁₃Н₂₇СООН), учитывая роль системы дыхательных ферментов митохондрий? Ответ аргументируйте.

23. Какова судьба аммиака, образующегося при дезаминировании аминокислот? Приведите схему соответствующих превращений аммиака, высокие концентрации которого токсичны для живых клеток и тканей, в цикле мочевины на примере окислительного превращения глутаминовой кислоты, меченной изотопом ¹⁴С по a-углеродному атому и ¹⁵N по аминогруппе Н₂¹⁵N–¹⁴СН–СООН

ï

(СН₂)₂СООН

В каких атомах обнаружится каждая из меток: мочевина, аргинин, цитруллин, янтарная кислота, орнитин, аспартат?

Вопросы для подготовки к экзамену

1. Что изучает биохимия? Чем отличается живая материя от неживой (роль структурной организации, обмена веществ, генетической информации, энергетических процессов в явлениях жизни)? Прикладная роль биохимии в пищевых технологиях.

2. Какие соединения называют белками? Почему белки играют ключевую роль в явлениях жизни?

3. Что понимают под первичной структурой белков? Почему изменения в первичной структуре белков отражаются на их биологических свойствах? Приведите классификацию белков по выполняемой функции (приведите примеры белков).

4. Какие аминокислоты называют протеиногенными? Сравните биологическую ценность и усвояемость белков растительного и животного происхождения.

5. Каковы основные функции аминокислот в организме человека?

6. Какова роль аминокислот в азотистом обмене? Каковы последствия белково-калорийной недостаточности пищевого рациона человека?

7. Чем объяснить полифункциональность и специфические особенности строения белков?

8. Каковы пути решения проблемы дефицита белка? Каковы возможности генетической инженерии в решении этой проблемы?

9. Что понимают под пищевой и биологической ценностью белков? Какие α-аминокислоты называют незаменимыми? Как определяют биологическую ценность белков и каковы пути повышения биологической ценности белков растительного происхождения?

10. Каковы особенности аминокислотного состава белков растительного и животного происхождения? Охарактеризуйте пути повышения пищевой ценности растительных белков.

11. Какова роль белков в питании человека? Что понимают под стационарно-динамическим состоянием обмена белков?

12. Что понимают под структурной организацией белка? Каковы ее принципы и иерархические уровни? Какое значение имеет структурная организация белков в явлениях жизни?

13. В чем причина особенностей физико-химических свойств белков (растворимость, заряженность, способность к обратимому осаждению, оптические характеристики)?

14. На каких физико-химических свойствах белков основано их фракционирование химическими и физико-химическими методами?

15. Какие соединения называют пептидами? Как классифицируются природные пептиды в соответствии с их функциями в организме и в составе пищи?

16. Что понимают под денатурацией белков (ее виды)? Какое значение имеет денатурация белков в пищевых технологиях?

17. Какие соединения называют нуклеиновыми кислотами? Какова их роль в явлениях жизни? Что понимают под комплементарностью азотистых оснований и какова ее роль в структурной организации и функционировании нуклеиновых кислот?

18. Что понимают под структурной организацией молекул ДНК? Как связаны между собой ядерные белки с молекулой ДНК? Какова роль белков в нуклеопротеиновых комплексах при укладке молекул ДНК в хромосомы?

19. Каковы общие закономерности и особенности структурной организации молекул т-РНК? Укажите функциональное значение отдельных участков молекул т-РНК. Какова роль молекул аминоацил-т-РНК в обеспечении точности воспроизведения первичной структуры белков?

20. Объясните основные принципы и матричный полуконсервативный механизм наследования генетической информации в процессе репликации ДНК. Какие факторы определяют высокую точность репликации, и в чем заключается биологический смысл точности этого процесса?

21. Какой матричный биосинтез называется транскрипцией ДНК? Объясните основные принципы переноса генетической информации из ядра в цитоплазму (к рибосомам).

22. Как осуществляется перенос аминокислот и энергии к рибосомам (месту синтеза белков)? Каков биологический смысл подготовительных реакций аминокислот к их участию в биосинтезе белка на рибосомах?

23. Охарактеризуйте кодирующую роль м-РНК и роль молекул аминоацил-т-РНК в синтезе белков с заданной первичной структурой. Опишите свойства генетического кода.

24. Какой матричный биосинтез называется трансляцией? Приведите этапы трансляции с участием рибосом и объясните сущность матричного механизма биосинтеза белков определенной видовой специфичности.

25. Какова химическая природа ферментов? Простые и сложные ферменты. Особенности строения и свойств ферментов как биокатализаторов по сравнению с катализаторами иной химической природы.

26. Что понимают под лабильностью свойств ферментов как биокатализаторов? Каковы особенности влияния на активность ферментов температуры и показателя рН среды и чем они обусловлены (приведите графические зависимости)?

27. Что понимают под специфичностью действия ферментов (приведите примеры субстратной (абсолютной и относительной) и стереоспецифичности)? Каково биологическое значение стереоспецифичности?

28. Какие вещества называются активаторами и ингибиторами ферментов? Охарактеризуйте пути влияния активаторов и ингибиторов (конкурентных и неконкурентных) на ферменты. Биологический смысл регуляции действия ферментов в живых организмах.

29. Чем отличаются простые и сложные ферменты? Охарактеризуйте функциональные центры в молекулах простых и сложных ферментов. Какова роль неорганических и органических кофакторов ферментов?

30. Охарактеризуйте взаимосвязь ферментов и витаминов в процессах обмена веществ. Какие функции выполняют: окислительно-восстановительные коферменты, содержащие витамины В₂ и В₅; коферменты переноса групп, содержащие витамины В₁, В₃, В₆, Н?

31. какие принципы лежат в основе современной классификации ферментов? Приведите примеры ферментативных реакций для характеристики классов и подклассов ферментов. Практические аспекты использования ферментов в пищевой промышленности.

32. Какие принципы положены в основу классификации витаминов? Почему витамины являются незаменимыми факторами питания?

33. Какие заболевания связаны с гипо-, гипер- и авитаминозами? Обоснуйте необходимость использования в питании важнейших пищевых продуктов как источников витаминов.

34. В чем заключается обмен веществ и какова его роль в явлениях жизни? Докажите, что обмен веществ тесно связан с обменом энергии.

35. Какова структура АТФ и ее роль в обмене энергии? Охарактеризуйте пути распада и образования молекул АТФ в организме.

36. Какова биологическая роль процессов диссимиляции в организме? Приведите схему катаболизма основных пищевых веществ в анаэробных и аэробных условиях и объясните взаимосвязь процессов брожения и дыхания. Сравните энергетическую эффективность этих типов диссимиляции.

37. Какова структура и биологическая роль основных групп полисахаридов, входящих в состав живых организмов (крахмал, гликоген, целлюлоза)? Охарактеризуйте ферментативный распад крахмала с участием амилаз различной видовой специфичности. Какова роль амилаз в пищевой промышленности?

38. каковы черты сходства и различий в строении крахмала и гликогена? Какова биологическая роль этих полисахаридов (крахмала – у растительных, гликогена – у животных организмов)? Чем объяснить, что гликоген является более эффективной резервной формой глюкозы?

39. Охарактеризуйте ферментативный распад поли- и олигосахаридов до моносахаридов. В чем отличие процессов гидролиза и фосфоролиза?

40. Приведите основные этапы распада глюкозы в анаэробных и аэробных условиях. В чем отличие дыхания от гликолиза?

41. Охарактеризуйте структуру и функции различных липидов в организме человека.

42. Жиры (триглицериды), ферментативный гидролиз. Специфичность действия липаз. Какие компоненты жиров являются незаменимыми факторами питания, и какова их биологическая роль?

43. В чем сущность окислительной порчи жиров? Какие факторы (биологические, физические, химические) способствуют прогорканию жиров? Чем обусловлено снижение пищевой и биологической ценности прогорклых жиров и жиросодержащих продуктов?

44. Охарактеризуйте основные пути превращений высших жирных кислот, источником которых служат липиды пищи. Сущность β-окисления и его биологическая роль.

45. Какие вещества называются гормонами? В чем особенности влияния гормонов на обмен веществ? Какова роль инсулина, глюкагона, адреналина и кортизола?

46. Взаимосвязь обмена веществ в организме. Охарактеризуйте виды взаимосвязей в обмене основных биополимеров. Какова роль цикла Кребса во взаимосвязи процессов обмена важнейших классов биополимеров?

Список литературы

а) Основная:

1. Филиппович Ю.Б., Ковалевская Н.И., Севастьянова Г.А. и др. Биологическая химия: Учебное пособие для вузов / Под ред. Н.И. Ковалевской.- М.: Академия, 2005.- 256 с.

б) Дополнительная:

2. Кольман Я., Рём К.-Г. Наглядная биохимия: Справочное издание / Под ред. П.Д. Решетова, Т.И. Сорокиной.- М.: Мир, 2000.- 469 с.

3. Ленинджер А. Основы биохимии.- М.: Мир, 1985, т.1-3.

4. Нечаев А.П., Траубенберг С.Е., Кочеткова А.А. и др. Пищевая химия: Учебник для вузов / Под ред. А.П. Нечаева.- СПб: ГИОРД, 2004.- 640 с.

5. Рис Э., Стенберг М. От клеток к атомам: Иллюстрированное введение в молекулярную биологию.- М.: Мир, 1988.- 144 с.

6. Страйер Л. Биохимия / Под ред. С.Е. Северина.- М.: Мир, 1984 (т. 1), 1985 (т. 2, 3).

7. Тюкавкина Н.А., Бауков Ю.И. Биоорганическая химия: Учебник для вузов.- М.: Дрофа, 2003.

8. Щербаков В.Г., Лобанов В.Г. Биохимия растительного сырья.- М.: Колос, 1999.- 376 с.

9. Пьянкова В.И. Пептиды, белки. Ферменты. Нуклеиновые кислоты: Методическое пособие для студентов всех форм обучения / ПИ (ф) РГТЭУ, 2006.- 44 с.