Для самостоятельного изучения «Роль химических элемнтов в функцио- 5 нировании организма» (Землякова Л. Ф.)

Вид материала

Методические рекомендации

Содержание Тема 3.15. исследование типов биологического окисления. антиоксидантная функция жирорастворимых витаминов Общая цель. Конкретные цели: Исходный уровень Для проверки исходного уровня предлагается выполнить ряд заданий. Эталоны ответов к решению заданий для самопроверки и самоконтроля исходного уровня Найти материал для освоения этих вопросов можно в одном из следующих источников. Обязательная литература. Целевые обучающие задачи. Эталоны ответов к решению целевых обучающих задач Тип реакции Краткие методические рекомендации к проведению заняття. Работа №1 Материальное обеспечение Работа №2 Исследование типов биологического окисления». Взаимосвязь обмена веществ Свободнорадикальное окисление Биологическая роль жирорастворимых витаминов Биологическая роль витамина К 2.Биологическая роль витамина Е 3. Биологическая роль витамина Д ... Полное содержание

Подобный материал:

• И темы рабочей программы самостоятельного изучения Перечень домашних заданий и других, 313.59kb.
• План лекции: Разделение химических элементов по количественному содержанию. Вода,, 130.01kb.
• Т ч. для самостоятельного изучения и подготовки доклад, 35.86kb.
• Ы и темы рабочей программы самостоятельного изучения Перечень домашних заданий и других, 75.84kb.
• Т. В. для самостоятельного изучения во время карантина с 16. 02. 2011 по 23. 02. 2011., 72.13kb.
• Вода (без воды и не туды и не сюды) роль в химических процессах, основная составляющая, 71.09kb.
• Вопросы к занятию по теме: "Роль наследственности в патологии", 10.55kb.
• Урок в 9 классе по теме «Бериллий, магний и щелочноземельные металлы.», 43.76kb.
• Лекционный курс и вопросы для самостоятельного изучения предмета «Физическая культура», 85.4kb.
• Методические указания по выполнению рефератов Для самостоятельной работы, 313.5kb.

^

ТЕМА 3.15. ИССЛЕДОВАНИЕ ТИПОВ БИОЛОГИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ. АНТИОКСИДАНТНАЯ ФУНКЦИЯ ЖИРОРАСТВОРИМЫХ ВИТАМИНОВ

Актуальность темы.

Биологическое окисление – это окисление различных веществ в клетке в процессе ее жизнедеятельности под влиянием ферментов. Процессы окисления в живой клетке имеют два основных значения: обеспечение ее энергетических потребностей и превращение питательных веществ в компоненты клетки. Дыхание - основной процесс снабжающий энергией живой организм. Процесс дыхания и окисления протекают в митохондриях. Помимо основной дыхательной системы, существует гидроксилирующая оксигеназная система мембран эндоплазматического ретикулума, содержащая цитохром Р-450. Конечными продуктами данной цепи являются гидроксилированный субстрат, вода и энергия (в виде тепла). Функцию неферментативных антиоксидантов выполняют жирорастворимые витамины А,Е, Д, К. Изучение материала по данной теме необходимо для понимания путей использования кислорода клетками: энергопродукции и превращения путем гидроксилирования огромного большинства эндо- и экзогенных гидрофобных соединений ( стероидных гормонов, лекарств, ядов и др.) и защиты белков липидов и нуклетновых кислот от токсичных форм кислорода и других агрессивных окислителей, для понимания механизмов регуляции их метаболизма и возможной коррекции нарушения обмена веществ.

Теперь ознакомьтесь с целями занятия.

^ Общая цель.

Уметь интерпретировать особенности путей окисления метаболитов и ксенобиотиков в норме и при патологи для последующего использования в клинике внутренних болезней.

^ Конкретные цели: Исходный уровень :

Уметь:

1. Интерпретировать механизмы биологического окисления веществ, их роль в метаболизме клеток.	1. Интерпретировать способы окисления веществ, окислительно- восстановительные реакции, основы биоэнергетики (каф. медицинской и фармацевтической химии).
2. Интерпретировать роль активних форм кислорода в превращениях субстратов
3. Интерпретировать биологическую роль жирорастворимых витаминов и проявления их гипо- и гипервитаминозов
4. Интерпретировать патологические состояния, связанные с нарушением окислительных процессов.	3. Интерпретировать структуру митохондрий (каф. биологии)

^ Для проверки исходного уровня предлагается выполнить ряд заданий.

Задания для самопроверки и самокоррекции исходного уровня:

Задание1 Какие из приведенных утверждений не характеризуют АТФ:

А .Пуриновый нуклеотид

В. Пиримидиновый нуклеотид

С. Универсальный макроэрг в клетках

D.Имеет две фофоангидридные святи

Е. Является формой запасания и передачи энергии в клетке

Задание 2 Студент выписал соединения не содержащие макроэргическую связь. Найдите ошибку.

А. Глицерол –3-фосфат;

В. Глюкозо-6-фосфат;

С. Ацетил-КоА;

D. Янтарная кислота;

Е. Глицин.


Задание 3. Стандартная свободная энергия гидролиза в ккал/моль для глюкозо-1-фосфата равна -5,0, глюкозо-6-фосфата -3,3 , АТФ -7,3, креатинина - 4,3, глицерол-1-фосфата -2,2. Какое из этих соединений является высокоэнергетическим?

А .Глюкозо-1-фосфат

В .Глюкозр-6-фосфат

С .АТФ

D. Креатинин

Е. Глицерол-1-фосфат .


Задание 4. Витамин А содержит в структуре боковой цепи группу -СНО. К какому классу веществ он принадлежит?

А. Кислотам

В. Спиртам

С. Альдегидам

Д. Кетонам

Е. Жирным кислотам


Задание 5. В радикале одного из жирорастворимых витаминов присутствует фрагмент

-СН=СН-С=СН- Как он называется?

!

СН3


А. Изопрен

В. Изоаллоксазин

С. ß-ионон

Д. Пиридин

Е. Пурин


Задание 6. Студенту дано задание выделить из смеси веществ соединение, в основе структуры которого лежит филлохинон. Какой растворитель не следует использовать для этого?

А. Этиловый спирт

В. Хлороформ

С. Эфир

Д. Воду

Е. Бутиловый спирт


Правильность решения заданий проверьте, сопоставив их с эталонами ответов.

^ Эталоны ответов к решению заданий для самопроверки и самоконтроля исходного уровня:

1.-В ; 2 - С ; 4 –С; 5 -А; 6-Д

Информацию, необходимую для восполнения исходного уровня, можно найти в следующей литературе.

1. Тюкавкина Н.А., Бауков Ю.И. Биоорганическая химия. - М.: Медицина, 1991. – С. 213-227, 291-294, 301-304, 313-361.

3.Лекции по биоорганической химии.


Содержание обучения.

Содержание обучения должно обеспечивать достижение целей обучения, чему способствует граф логической структуры изучаемой темы (Приложение 1).


Основные теоретические вопросы, позволяющие выполнить целевые виды деятельности:


1. Типы реакций биологического окисления ( оксидазный, оксигеназный, пероксидазный, свободнорадикальный) и их роль в метаболизме..

2.Активные формы кислорода (АФК): синглетный кислород, пероксид водорода, гидроксильный радикал, пероксинитрид. Механизмы их образование в организме, причины токсичности. Физиологическая роль АФК.

3. Ферменты и коферменты, участвующие в ОВР (приложение 2).

4. Молекула аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) как основная форма сохранения химической энергии в клетке. Участие АТФ в реакциях энергетического сопряжения.

5. Способы синтеза АТФ в живых организмах (реакции фосфорилирования): субстратное фосфорилирование, фотофосфорилирование, окислительное фосфорилирование.

6. Транспорт АТФ и АДФ через митохондриальные мембраны. Роль митохондриальной креатинкиназы.

7. Источники витамина А и его биологическая роль (приложение 3).

8. Источники витамина Д, образование его активной формы, кальцитриола.

9. Участие витамина Д в метаболизме.

10. Участие витамина Е в метаболизме.

11. Биороль витамина К.

12. Биороль полиненасыщенных ВЖК.

13. Гипо-и гиперфункции жирорастворимых витаминов.
^

Найти материал для освоения этих вопросов можно в одном из следующих источников.

Обязательная литература.

1. Губський Ю.Г. Біологічна хімія. - Київ-Тернопіль.: Укрмедкнига, 2000. - С. 411-417.

2. Тестовые задания по биологической химии/ Под ред.Б.Г.Борзенко. - Донецк, 2000. -С.44-73.

3. Лекции по биохимии.

4. Граф логической структуры (Приложение 1,2).

5. Инструкция к практическому занятию.

Дополнительная литература

1. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия. - М.: Медицина, 1998.-С. 210-219 313-316

2. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия. - М.: Медицина, 1990. - С. 138-147

3. Николаев А.Я. Биологическая химия. - М.: Высшая школа, 1998.- С. 161, 167-171, 386-388, 478-480.

4. Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека. - М.: Мир, 1993. - С.111-139


После изучения вышеперечисленных вопросов для самопроверки усвоения материала по изучаемой теме предлагается решить следующие целевые обучающие задачи.

^ Целевые обучающие задачи.

Задача 1.В эксперименте установлено, что окисление субстрата в клетке происходит по оксигеназному пути. Подберите соответствующую характеристику процесса:

А. Реакцию катализирует анаэробная дегидрогеназа

Б. Способствует включению кислорода в субстрат

В. Сопровождается образованием эндогенной воды

Г. Сопровождается синтезом АТФ

Д. Осуществляется в митохондриях


Задача 2. Одним из методов борьбы с гипоксией является гипербарическая

оксигенация. При несоблюдении режима этой процедуры высокая доза

кислорода может вызвать острое отравление, даже с появлением

“кислородных “ судорог. Активация какой реакции биологического

окисления особенно опасна для ткани мозга при длительном вдыхании

кислорода под давлением?

А. Пероксидазной

В. Оксигеназной

С. Оксидазной

Д. Свободнорадикального окисления

Е. Микросомального окисления

Задача3 .Нарушение функции толстого кишечника вызвало у больного повы-

шенное образование токсичного бензола. Какой из нижеуказанных процес-

сов участвует в его обезвреживании?

А. Свободно-радикальное окисление

В. Микросомальное окисление

С. Тканевое дыхание

D. Окислительное фосфорилирование

Е. Окислительное декарбоксилирование

Задача 4 При обследовании больного с диагнозом пеллагра обнаружено

снижение образование АТФ в миокарде. В чем причина развития гипоэнер-

гетического состояния у пациента?

А. Ингибирование монооксигеназных реакций

В. Гипоксия

С. Уменьшение гемоглобина

D. Нарушение структуры митохондрий

Е. Ингибирование пиридиновых дегидгогеназ

Задача 5. Под действием жесткого ультрофиолетового облучения развивается мышечная

дистрофия. Какое вещество может препятствовать этому нарушению?

А. α-токоферол

В. 1,25-диоксихолекальциферол

С. Ретинол

Д. Витамин Д3

Е. Филлохтнон

Задача 6 У спасателя, работающего в радиационном очаге, начались некрозо-дистрофические процессы в печени. Что ему следует назначить в комплексе лечения?

А. Ретинол

В. Аскорбиновую кислоту

С. Витамин К

D. Лецитин

Е. -токоферол


Задача 7 Витамин D регулирует минеральный обмен в организме. Для усвоения каких минеральных элементов он необходим?

А. Натрия

В. Калия

C. Кальция

D. Железа

Е. Кобальта


Задача 8 Сложный процесс образования в организме кальцитриола проходит через несколько стадий. Для какой из них требуется ультрафиолетовое облучение?

А. 7-дегидрохолестерин холекальциферол

В. Холестерин  холевая кислота

С. Холекальциферол  25-гидроксихолекальциферол

D. 25(ОН)-Д₃  1,25(ОН)₂ -Д₃)

Е. Сквален  ланостерин


Правильность решения проверьте, сопоставив их с эталонами ответов.

^ Эталоны ответов к решению целевых обучающих задач:

2-Д; 3-В; 4-Е ; 5-А; 6 – Е


Задания для самостоятельной работы к занятию «Исследование типов биологического окисления»

1. Заполнить таблицу «Типы реакций биологического окисления».
   

   ^ Тип реакции	Схема процесса	Ферменты	Биологическая роль
   1
   2
   3
   4

2. Выписать в общем виде уравнения реакций катализируемых пиридин- и флавинзависимыми дегидрогеназами.
   

SH₂ + НАД⁺→

SH₂ + ФАД→


Привести активные структуры в молекулах НАД⁺ и ФАД, которые являются акцепторами протонов и электронов в дегидрогеназных реакциях.


^ Краткие методические рекомендации к проведению заняття.

На занятии проводится тестовый контроль исходного уровня знаний студентов и его коррекция. Проверяется выполнение домашнего задания. Затем студенты приступают к выполнению лабораторной работы, используя при этом инструкцию.

После выполнения лабораторной работы необходимо оформить протокол,сделать выводы к работе, которые проверяет и контролирует преподаватель.Проводится итоговый тестовый контроль по теме, подводятся итоги работы.


Инструкция к практическому занятию «Исследование типов биологического окисления».

^ РАБОТА №1: Открытие альдегиддегидрогеназы в молоке.

Принцип работы: Фермент вырабатывается микроорганизмами, попадающими в молоко извне. По химической природе он относится к флавопротеинам, способным окислять альдегиды, в частности формальдегид. При добавлении к некипяченому молоку формальдегида метиленовой сини альдегиддегидрогеназа окисляет формальдегид в муравьиную кислоту, а освобождающийся при этом водород переносится на метиленовую синь, востанавливая ее в бесцветное соединение.

^ Материальное обеспечение: кипяченое молоко, не кипяченое молоко, 0,04% раствор формальдегида, 0,01% раствор метиленовой сини, пробирки, пипетки.

Ход работы: В одну пробирку вносять 15 капель кипяченого молока, а в другую – 15 капель не кипяченого. В каждую пробирку вносят по капле 0,4% раствора формальдегида и по капле 0,01% раствора метиленовой сини. Пробирки встряхивают и закрывают пробками, чтобы создать относительные анаэробные условия.

Пробирки помещают в термостат при 37º С и отмечают через пять минут постепенное обесцвечивание метиленовой сини.

ВЫВОДЫ:


^ РАБОТА №2 Обнаружение каталазы крови

Принцип работы: Фермент каталаза относится к классу оксидоредуктаз. Этот фермент содержится во всех тканях и жидкос­тях организма, но особенно много его в строме эритро­цитов и печени. В процессе окисления некоторых веществ образуется перекись водорода, ядовитая для орга­низма, которая может в нем накапливаться.

Биологическая роль каталазы заключается в разло­жении вредной для организма перекиси водорода на мо­лекулярный кислород и воду:

2Н₂О₂ 2Н₂О + О₂

каталаза


Фермент каталаза содержит гем.

Материальное обеспечение: 3% раствор перекиси водорода, кровь.

Ход работы: В пробирку вносять 10-15 капель 3% Н₂О₂ и 1 каплю крови. Отмечают выделение пузырьков кислорода.

Подпись преподавателя:


Приложение 1.


Г р а ф логической структуры к теме: «^ Исследование типов биологического окисления».

Метаболизм

Катаболизм

Анаболизм






Биологическое окисление






Оксидазное

Оксигеназное

Пероксидазное

Свободно-радикальное окисление



Активные формы кислорода

Синтез макроэргических соединений, образование конечных продуктов СО₂ и Н₂О





Метаболизм экзо- и эндогенных соединений








Механизм антиоксидантного действия

жирорастворимых витаминов

Обнаружение альдегиддегидрогеназы и каталазы крови







Клинико-диагностическое значение определения активности ферментов окислительных процессов

Приложение 2

^ ВЗАИМОСВЯЗЬ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ

И ЭНЕРГИИ. ЦИКЛ АТР-АDР.

Пищевые вещества

1

Метаболиты 4 Распад

структурно-

Катаболизм Анаболизм функциональных

2 компонентов

3

5 7

Энергия

6


Рис.1. Общая схема обмена веществ и энергии.

1 - пищеварение; 2,4- катаболизм; 3- анаболизм; 5- экзергонические реакции; 6,7- эндергонические реакции.

1. Обмен веществ включает три этапа:

1)поступление веществ в организм;

2) метаболизм, или промежуточный обмен;

3) выделение конечных продуктов обмена


1.1. Реакции катаболизма сопровождаются выделением энергии (экзергонические реакции), а её использование связано с реакциями анаболизма и физиологической активностью организма (эндергонические реакции).


1.2. Центральную роль энергетическом обмене выполняет АТР :

а) в макроэргических связях АТР аккумулируется энергия, выделяемая в процессе катаболизма;

б) энергия АТР используется в реакциях анаболизма и обеспечивает различные виды работы в организме.





2. Процессы катаболизма в клетках животных сопровождаются потреблением кислорода, который необходим для реакций окисления. Ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции, называются оксидоредуктазами. Их подразделяют на 4 группы:

2.1. Дегидрогеназы катализируют перенос водорода от субстрата (S) на кофермент акцептор (А).

SН₂ + А → S + АН₂ есть: две основные группы дегидрогеназ, которые различаются по используемым коферментам.

2.1.1. Пиридинзавасимые дегидрогеназы (кофермент НАД⁺ или НАДФ⁺). Никотинамид синтезируется в организме из триптофана или поступает с пищей (витамин РР).

2.1.2. Флавиновые дегидрогеназы (кофермент ФАД или ФМН). ФМН и ФАД образуются в организме из рибофлавина (витамин В₂).

2.2. Оксидазы – катализируют перенос электронов от S на молекулярный кислород

SН₂ +1/2О₂ → S + Н₂О SН₂ +О₂ → S + Н₂О₂.

2.3. Оксигеназы катализирует включение кислорода в молекулу органического субстрата. Их подразделяют на две группы, в зависимости от :

-диоксигеназы, количество атомов кислорода, которое взаимодействует с S:

S + О₂→SО₂

- монооксигеназы: S -Н + О₂ + АН₂ → SОН + А + Н₂ О

• гидропероксидазы (пероксидазы и каталазы) катализируют разрушение перекиси водорода. 2Н₂О₂ → 2Н₂О +О₂.
  

2.4 ^ Свободнорадикальное окисление

Окисление субстратов свободными радикал-анионами: супероксидом О₂^{· -}, Н₂О₂, и наиболее активным радикалом – гидроксил анионом ОН·

Пути образования свободных радикалов;

- Реакции восстановления кислорода до Н₂ О в дыхательной цепи - основной: источник свободных радикалов




- Некоторые метаболические процессы ( микросомальное окисление, распад пуриеовых нуклеотидов, фагоцитоз идр.)

Свободные радикалы вызывают образование органических гидропероксидов (ROOH) ДНК, белков и липидов.


Приложение 3


^ Биологическая роль жирорастворимых витаминов

В состав жирорастворимых витаминов входят углеводородные изопреноидные радикалы, потому они являются компонентами биомембран, в составе которых выполняют специфические биофункции, в частности, мощных биоантиоксидантов (Е, А, К).

В отличии от водорастворимых витаминов избыточное поступление витаминов А, Д, К вызывает гипервитаминозы благодаря их кумуляции в органах.

1. ^ Биологическая роль витамина К
   

Витамин К относится к группе хинонов. Биологическая роль заключается в его влиянии на систему свертывания крови, т.к. он участвует в реакции карбоксилирования глутаминовой кислоты белковых факторов свертывания крови ІІ, УІІ, ІХ, Х в процессе их синтеза в печени.


^ 2.Биологическая роль витамина Е

Витамин Е- производное токолов. Наиболее активен α-токоферол.

Биологическая активность заключается в следующем:

-благодаря наличию фенольного гидроксила в ароматическом ядре α-токоферола он вступает в реакцию со свободными радикалами и ингибирует их, затормаживая процессы свободно-радикального окисления органических молекул.

. ٠

RО2 ٠ RОН

вит.Е – ОН + → вит.Е - О +

٠ RH

R

Продукты реакции витамина Е с органическими радикалами вступают в реакцию между собой, образуя неактивные молекулярные соединения.

٠ ٠

вит.Е - О + вит.Е - О → вит.Е – О – О - вит Е

Благодаря гидрофобному боковому радикалу витамина Е он встраивается в фосфолипидный слой мембран, стабилизируя подвижность и микровязкость мембранных липидов и белков.

Антирадикальные и мембранностабилизирующие свойства витамина Е служат основой его биофункции как наиболее мощного биооксиданта. Он противодействует перекисному окисления липидов, белков, нуклеиновых кислот, защищает клеточные структуры от цитотоксического действия свободных радикалов экзо- и эндогенного происхождения.

Продукты реакции α-токоферола с радикалами вступают в реакции между собой.

Наиболее характерными для Е-авитаминоза являются:

• нарушения репродуктивной функции мужчин (аномальный оперматогенез) и женщин (неспособность к зачатию и вынашиванию беременности)
  
• мышечная дистрофия
  
• некрозо-дистрофические процессы в печени
  

^ 3. Биологическая роль витамина Д

- схема синтеза витамина Д в коже в печени

УФ-облучение

7-дегидрохолестерин → холекальциферол (Д₃) →

^ 25-гидроксилаза Р-450

В почках

25-оксихолекальциферол → 1,25 дигидроксихолекальциферол

(кальцидиол) 1-гидроксилаза (кальцитриол)

цитохром Р-450


^ Механизм действия и функции кальцитриола

-Образование в цитозоле энтероцитов комплекса с белковыми рецепторами и транслокация комплекса в ядро.

- Связь комплекса с хроматином и активация транскрипции генов, контролирующих синтез Са-связующих белков.

-Кальцитриолзависимые Са-связывающие белки энтероцитов транспортируют кальций из кишечника против градиента концентрации.

-Таким образом кальцитриол поддерживает физиологическую концентрацию кальция и фосфатов в плазме крови, что необходимо для костеобразования и контроля за богатогранными кальцийзависимыми процессами.


^ 4. Биологическая роль витамина А

-источники:

витамин А поступает с животным жиром или в составе растительных продуктов в виде провитаминов α, β, γ-каротинов.

Β-каротин наиболее активный, т.к. при его гидролизе ферментом каротиназой в эпителии тонкого кишечника и печени образуются 2 молекулы витамина А.


Β-ионовое кольцо –R-СН=СН- R- β -ионовое кольцо

2Н₂О + Каротиназа

2 молекулы витамина А

Активные молекулярные формы витамина А:


Спирт ретинол А-СН₂ –ОН


Альдегид ретиналь А – СНО

^

Ретиноевая кислота А- СООН

Витамин регулирует следующие функции:

- процесс темнового зрения


РОДОПСИН (интегральный белок мембраны диска)


Темнота квант света




Цис-ретиналь ОПСИН транс-ретиналь



(А-СНО)


НАД


НАДН₂

Транс-ретинол

Цис-ретинол ↔ А-СН₂ОН


изомераза

- рост и дифференцировку клеток

- образование гликопротеинов биологических слизей (в форме транс-ретиноевой кислоты) благодаря влиянию на процессы транскрипции. Ретинол является коферметом гликозилтрансферазы эндоплазматического ретикулума в качестве переносчика олигосахаридных остатков к месту гликозилирования гликопротеинов слизей, покрывающий эпителий внутренних органов.

Ядерные рецепторы для ретиноевой кислоты принадлежат к суперсемейству регуляторов транскрипции вместе с рецепторами для витамина Д, тироксина, стероидных гормонов.

Проявление авитаминоза А

-сухость слизистых оболочек с однослойным плоским эпителием: (ЖКТ, дыхательный тракт, мочевыделительная система, слезный, слуховой каналы, т.к. нарушен синтез гликопротеидов слизей, покрывающих эпителиальные покровы.

Витамин F – это группа полиненасыщенных жирных кислот (линолевая, линоленовая), которые являются предшественниками в синтезе тканевых гомонов эйкозаноидов. Содержатся в растительных маслах.

сления органических молекулоть в качестве переносчика олигосахаридныъ