Молекулы, Питание, Транспорт и Здоровье

Красная кровяная клетка, покидающая лёгкие, несёт кислород на гемоглобине, едет по артерии, просачивается через капилляр тоньше самой себя, отдаёт кислород дышащей клетке и возвращается по вене. Каждая структура этого пути построена из молекул, с которых начинается этот модуль, и каждый экзаменационный вопрос по этой теме требует связи структуры с функцией.

WBI11 Molecules, Diet, Transport and Health — первый модуль IAS: письменный тест продолжительностью 1 час 30 минуты, 80 баллов, все задания обязательны. Он проверяет Тема 1 (Молекулы, Транспорт и Здоровье) и Тема 2 (Мембраны, Белки, ДНК и Экспрессия Генов). Ожидаются вопросы по данным исследований здоровья, расчёты со стандартным форматом и развёрнутые ответы с названиями структур и объяснением механизмов.

Вода является средой для транспорта, поскольку она полярный растворитель. В молекуле воды кислород притягивает общие электроны сильнее, чем водород: каждая связь O–H имеет слабый отрицательный полюс у атома кислорода и слабый положительный у атома водорода. Это дипольная природа воды. Противоположные заряды между соседними молекулами образуют водородные связи, благодаря чему полярные или заряженные частицы (глюкоза, ионы натрия, аминокислоты) растворяются, так как вокруг них скапливаются молекулы воды.

Углеводы соединяются и расщепляются в результате двух реакций:

• Конденсация удаляет молекулу воды при образовании гликозидной связи между двумя сахарами.
• Гидролиз добавляет воду обратно и разрывает эту связь.

Две молекулы глюкозы конденсируются с образованием мальтозы; глюкоза плюс фруктоза дают сахарозу; глюкоза плюс галактоза дают лактозу. Длинные цепи образуют полисахариды: амилозу (связи 1,4, сворачивается в спираль, компактна), амилопектин и гликоген (обе цепочки 1,4 с ответвлениями 1,6; гликоген — запасное вещество животных в печени и мышцах). Наличие ответвлений означает много концов цепей, поэтому глюкоза может высвобождаться быстро; спираль позволяет упаковать большое количество энергии в малом объеме.

Основной практический опыт 1: оценка концентрации сахара и крахмала

Восстанавливающие сахара восстанавливают синий реактив Бенедикта при нагревании, образуя кирпично-красный осадок. Для оценки неизвестной концентрации сравните цвет со стандартами известной концентрации или измерьте раствор в колориметре.

Разбор примера. Стандарты с концентрацией 0, 0.5, 1, 2 и 4 % глюкозы дают оптические плотности 0.02, 0.09, 0.18, 0.35, 0.64. Неизвестный образец дает значение 0.58. На прямом участке графика каждые 1 % добавляют примерно 0.16 к оптической плотности, поэтому концентрация неизвестного образца близка к $0.58/0.16 \approx 3.6\%$. Чтение за пределами стандартных значений (экстраполяция выше 4 %) менее надежно, чем измерения в их пределах — момент, который эксперты экзамена期望 от вас отметить. Йод с крахмалом дает синюю-черную окраску; интенсивность этого цвета дает аналогичную оценку содержания крахмала.

Триглицерид состоит из одной молекулы глицерина и трех жирных кислот, соединенных тремя реакциями конденсации, образующими эфирные связи. Насыщенные жирные кислоты не имеют двойных связей C=C: прямые цепи плотно упаковываются, поэтому животные жиры тверды при комнатной температуре. Ненасыщенные кислоты имеют одну или несколько двойных связей, которые создают изгибы в цепи, упаковка происходит рыхлее, и масла остаются жидкими. Липиды хранят больше энергии на грамм, чем углеводы, потому что они более восстановлены.

Диффузия обеспечивает клетки только на расстоянии нескольких десятых миллиметра. Крупному организму требуется массовый транспорт: насос и трубы, доставляющие питание и выводящие отходы от каждой клетки. Три типа сосудов соответствуют трем функциям:

Сердце млекопитающих представляет собой два насоса в одном органе. Правая половина перекачивает кровь в легкие; левая, с более толстой стенкой желудочка, направляет кровь к телу. Предсердия принимают кровь, желудочки выбрасывают её. Коронарные артерии питают само сердечное мышцу — их закупорка вызывает инфаркт.

Сердечный цикл

Одно сокращение состоит из трех фаз. Систола предсердий выдавливает последний объем крови в желудочки. Систола желудочков повышает давление в них выше артериального, полулунные клапаны открываются, и кровь выталкивается наружу. Диастола расслабляет мышцы, давление падает, полулунные клапаны резко захлопываются (второй тон сердца), и камеры заполняются кровью из вен.

Читайте диаграмму так, как этого требует экзаменатор: состояние клапанов определяется разницей давлений, а не инструкцией. Атриовентрикулярные клапаны открываются, когда давление в предсердиях превышает давление в желудочках; полулунные клапаны открываются, когда давление в желудочках превышает давление в аорте.

Гемоглобин — это белок из четырёх полипептидных цепей, каждая из которых сворачивается вокруг гемовой группы, несущей один ион Fe²⁺, связывающий одну молекулу O₂ — всего четыре. Связывание первой молекулы кислорода изменяет форму всей молекулы и облегчает последующие связывания: кооперативное связывание придаёт кривой диссоциации кислорода её S-образную форму с пологим начальным и крутым конечным участками.

В лёгких (высокое pO₂) кривая выравнивается около 100 % насыщения. В отдыхающих тканях при ~1–2 кПа кривая крутая, поэтому небольшое снижение pO₂ приводит к высвобождению большого количества кислорода — именно там, где он нужен. При интенсивном дыхании тканей выделяется больше углекислого газа; ионы водорода связываются с гемоглобином и смещают всю кривую вправо (эффект Боэра), вынуждая ещё больше кислорода высвобождаться в наиболее активные ткани.

Разбор проверки. При pO₂ ₂ 2 кПа нормальная кривая показывает около 30 % насыщения, а сдвинутая — около 15 % — гемоглобин удерживает лишь примерно треть кислорода при этом парциальном давлении, поэтому большинство его четырёх сайтов высвобождается в ткань раньше.

Атеросклероз начинается с повреждения эндотелия, выстилающего артерию. Воспалительный ответ усиливается, липопротеины низкой плотности проникают внутрь, гладкие мышцы и соединительная ткань образуют бляшку, артерия сужается и затвердевает, и наконец может образоваться тромб, блокирующий просвет или отрывающийся.

Сам процесс свёртывания представляет собой каскад. Повреждение высвобождает тромбопластин, который (совместно с ионами кальция) превращает растворимый плазменный белок протромбин в фермент тромбин; тромбин превращает растворимый фибриноген в нерастворимую сетку фибрина, которая задерживает тромбоциты и клетки.

Артериальное давление указывается как систолическое поверх диастолического. Гипертония, курение, высокий уровень ЛПНП-холестерина в крови, питание, малоподвижность, возраст, пол и генетика являются факторами риска — и они умножаются, а не складываются: два умеренных фактора риска могут быть важнее одного серьёзного.

Чтение данных о рисках для здоровья

Вопросы 8 и 9 каждого экзамена находятся здесь. Четыре привычки охватывают почти все баллы:

• Корреляция не означает причинность. Два переменных, движущихся вместе, могут иметь скрытую общую причину, а связь может быть случайной.
• Оцените исследование: каков был размер выборки? Как она была выбрана? Что контролировалось? Было ли исследование слепым? Есть ли конфаундеры, такие как возраст или курение?
• Тщательно выполняйте арифметику: процентные изменения, отношения в стандартной форме, расчеты на душу населения.
• Спрашивайте, чего не хватает: тех, кто не ответил, неопубликованных исследований, экстраполированных линий.

Разбор проверки. Исследование обнаруживает корреляцию между заболеваниями десен и повреждением эндотелия. Прежде чем утверждать, что одно вызывает другое, вам потребовались бы механизм, зависимость «доза–ответ» и исключение конфаундеров (питание, курение, возраст) — и вопрос «были ли группы сопоставимы по уровню артериального давления?» является именно вопросом о конфаундерах.

Баланс энергии определяет массу тела. Избыточный вес и ожирение диагностируются с помощью ИМТ (масса в кг, делённая на квадрат роста в метрах; 18.5–24.9 — здоровый диапазон) и соотношения талии к бедрам (WHR). Пищевые насыщенные жиры повышают уровень ЛПНП-холестерина в крови; ненасыщенные жиры и растворимая клетчатка снижают его.

Проверочное задание. Женщина массой 74 кг и ростом 1.66 м: ИМТ $= 74 / 1.66^2 = 74/2.76 = 26.8$ — лишь незначительно превышает норму, попадая в категорию избыточного веса. Соотношение талии к бедрам (WHR) $= 84/98 = 0.86$ при обхвате талии 84 см и бедер 98 см.

Все методы лечения сопряжены с рисками наряду с пользой:

• Противогипертонические препараты (бета-блокаторы, ингибиторы АПФ, диуретики) снижают артериальное давление.
• Статины (например, симвастатин) блокируют печёночный фермент синтеза холестерина, благодаря чему клетки захватывают ЛПНП из крови.
• Антикоагулянты (варфарин) и антиагреганты (аспирин) снижают свёртываемость крови, что повышает риск кровотечений.

Вопрос, предлагающий «обсудить», требует рассмотреть обе стороны проблемы и сделать вывод, основанный на предоставленных данных.

Каждая поверхность обмена представляет собой мембрану, осуществляющую контролируемый обмен веществами. Принятая модель — жидкая мозаика: фосфолипидный бислой (жидкий, поскольку хвосты могут скользить), пронизанный интегральными белками, охватывающими бислой (каналы, переносчики), экзogenousными белками, холестерином, регулирующим текучесть, а также гликопротеинами и гликолипидами для распознавания.

Четыре пути транспорта:

• Диффузия — чистый перенос вдоль градиента концентрации без затрат АТФ.
• Облегчённая диффузия — перенос вдоль градиента через канал или белок-переносчик.
• Активный транспорт — перенос против градиента за счёт АТФ через белки-переносчики, меняющие свою форму.
• Осмос — движение воды от области с более высоким к области с более низким водным потенциалом через полупроницаемую мембрану. Эндоцитоз и экзоцитоз обеспечивают транспорт крупных молекул в везикулах.

Для диффузии закон Фика: скорость пропорциональна (площадь поверхности × разность концентраций) ÷ расстояние диффузии. Поверхности газообмена удовлетворяют всем трём условиям: большая площадь, поддерживаемый градиент и стенка толщиной в одну или две клетки. Именно поэтому альвеолы, капилляры и жабры рыб имеют подобную структуру.

Аминокислота содержит аминогруппу, карбоксильную группу, атом водорода и R-группу у одного центрального атома углерода; две аминокислоты соединяются пептидной связью в реакции конденсации. Первичная структура — это последовательность; водородные связи скручивают её в вторичную; дальнейшие водородные, ионные и дисульфидные связи складывают третичную; отдельные цепи собираются в четвертичную структуру — гемоглобин является классическим примером.

Фермент — это белок, чей активный центр подходит по форме только к одному субстрату. Связывание не является жёстким: в модели индуцированного соответствия как молекула, так и активный центр деформируются до взаимного complémentарности. Именно поэтому температура и pH влияют на скорость реакции — они воздействуют на третичную структуру — и почему активный центр специфичен.

Конкурентные ингибиторы связываются с активным центром и теряют преимущество при повышении концентрации субстрата; неконкурентные ингибиторы связываются в другом месте и искажают активный центр, поэтому скорость снижается при любой концентрации.

Проверочное задание. Значение Q10 указано на графике 2.4: между 10 °C и 20 °C скорость увеличивается в 2.4 раза; между 45 °C и 55 °C тот же множитель означает, что денатурирующий фермент разрушается с возрастающей скоростью. Q10 лишь описывает зависимость, но не объясняет механизм.

Мононуклеотид — это пентоза (дезоксирибоза или рибоза), фосфатная группа и азотистое основание. Конденсация между фосфатом и сахаром соседних нуклеотидов образует цепь, удерживаемую фосфодиэфирными связями. ДНК состоит из двух антипараллельных цепей: А соединяется с Т (две водородные связи), Г с Ц (три), всё это закручено в двойную спираль.

Репликация является полуконсервативной: хеликаза расстегивает две цепи, каждая из которых служит матрицей, а ДНК-полимераза соединяет свободные нуклеотиды в направлении от 5' до 3'. Мезельсон и Сталь выращивали бактерии сначала на тяжёлом ¹⁵N, затем на лёгком ¹⁴N азоте; после одного раунда репликации вся ДНК имела промежуточную плотность, после двух раундов половина была лёгкой — это точно соответствует предсказаниям полуконсервативной модели и опровергает альтернативы.

Ген — это последовательность оснований, кодирующая последовательность аминокислот. Код является триплетным: три основания на одну аминокислоту. Он неперекрывающийся (читается последовательными группами), вырожденный (большинство аминокислот имеют несколько кодонов, поэтому некоторые мутации могут быть невидимыми) и содержит стартовые и стоп-кодоны.

Разобранный пример. Ген из 300 пар оснований кодирует белок из 99 аминокислот плюс стоп-кодон: $99 \times 3 + 3 = 300$. ✓

Транскрипция: РНК-полимераза связывается с геном, использует одну цепь как матрицу и синтезирует мРНК. Трансляция: в цитоплазме рибосома читает кодоны мРНК, а молекулы тРНК, чьи антикодоны комплементарны этим кодонам, доставляют аминокислоты в правильном порядке; пептидные связи соединяют их.

Мутации возникают из-за ошибок репликации. Замещение меняет одно основание: меняется одна аминокислота или ничего не меняется (в силу вырожденности). Вставка или делеция добавляют или удаляют основание и сдвигают все читающие рамки после этого места — сдвиговую рамку, обычно полностью разрушая белок.

Цистический фиброз — модель курса: делеция трёх оснований удаляет одну фенилаланиновую единицу из белка CFTR, транспорт хлорида нарушается, слизь остаётся густой, дыхательные пути закупориваются. Аллель рецессивный: носители здоровы. Генетическое скрининг может выявить носителей, протестировать эмбрионы (преимплантационная генетическая диагностика) или плода (амниоцентез, биопсия ворсин хориона). Вопросы скрининга всегда сопряжены с этикой: кто проходит тестирование, кому сообщают результат, что происходит при положительном результате.

1. Объясните, почему амилопектин высвобождает глюкозу быстрее, чем амилоза, со ссылкой на связи и концы цепей.
2. Рассчитайте ИМТ мужчины массой 91 кг при росте 1.83 м и классифицируйте его.
3. Во время систолы желудочков какие клапаны открыты, а какие закрыты, и почему?
4. Насыщение кислородом при 4 кПа снижается с примерно 60 % до примерно 34 %, когда уровень CO₂ возрастает. Объясните молекулярную причину.
5. Опишите каскад свёртывания крови по порядку: от повреждения эндотелия до образования фибрина.
6. Исследование показывает, что люди, потребляющие больше йогурта, реже болеют сердечными атаками. Перечислите три проверки, которые следует провести перед принятием утверждения о причинно-следственной связи.
7. Объясните, почему конкурентный ингибитор снижает скорость реакции при низкой концентрации субстрата, но не при очень высокой концентрации.
8. Мезельсон и Сталь отвергли консервативную репликацию. Какое наблюдение после одного цикла репликации позволило это сделать?
9. Сдвиговая мутация обычно опаснее замещения. Объясните почему, используя слова «триплет» и «вырожденность».
10. Назовите два преимущества и два риска генетического скрининга носителей цистического фиброза.

Ответы: 1 множество 1,6-ветвлений создают много концов цепей для одновременного ферментативного воздействия; 2 $91/1.83^2 = 27.2$, избыточный вес; 3 атриовентрикулярные закрыты, полулунные открыты, поскольку давление в желудочках превышает аортальное, но не надпредсердное; 4 ионы водорода от CO₂ связываются с гемоглобином, изменяя его форму и снижаяvengeance к кислороду (эффект Боэра); 5 повреждение обнажает коллаген, тромбоциты и повреждённые клетки выделяют тромбопластин, тромбопластин + Ca²⁺ превращают протромбин в тромбин, тромбин превращает фибриноген в фибрин, сетка фибрина захватывает клетки; 6 размер выборки и отбор, конфундеры (возраст/упражнения/диета), слепое сравнение, механизм или зависимость от дозы; 7 ингибитор конкурирует за активный центр, поэтому при очень высокой концентрации субстрата почти каждое столкновение с центром происходит с субстратом; 8 после одного цикла вся ДНК образовала одну промежуточную полосу — консервативная модель предсказывала бы одну тяжёлую и одну лёгкую полосу; 9 сдвиговая мутация меняет каждый триплет после мутации, поэтому весь белок от этого места имеет другую аминокислотную последовательность, тогда как вырожденность позволяет многим замещениям ничего не изменить; 10 преимущества — осознанное планирование семьи, раннее лечение или изменение образа жизни; риски — тревожность, дискриминация со стороны страховых компаний или работодателей, ложноположительные или ложноотрицательные результаты.