BIOCHEMIA

Wykładowca : Prof. dr hab. Zbigniew Rykowski.

Bibliografia :

1. Bańkowski E. - BIOCHEMIA - podręcznik dla studentów medycznych

wydawnictwo Urban & Partner - 2004 1 wydanie.

2. Davidson V., Sittman D. - BIOCHEMIA - wydawnictwo medyczne

wydawnictwo Urban & Partner 2002r.

3. Kazimierz Pasternak - BIOCHEMIA - podręcznik dla studentów medycznych studiów licencjackich. Wydawnictwo Czelej Sp. Zo. o. www.czelej.com.pl

.......................................................................................................................................................

Peptydy, Białka.

Wszystkie związki zbudowane z aminokwasów ( peptydowe ) można podzielić, biorąc pod uwagę ilość aminokwasów w łańcuchu peptydowym, na oligopeptydy, polipeptydy i białka. Podział ten jest o tyle sztuczny, że w rzeczywistości dość trudne jest rozróżnienie, czy dany związek jest jeszcze polipeptydem, czy też już białkiem. Podział taki daje jednak możliwość zrozumienia budowy tych związków.

Oligopeptydy.

Oligopeptydy zbudowane są z 2 - 10 aminokwasów, połączonych oczywiście wiązaniami peptydowymi. Ważną rolę odgrywają peptydy naturalne. Dwupeptydy naturalne to karnozyna

( B - alanylohistydyna ) i anseryna ( B - alanylo - N - metylohistydyna ). Znany trójpeptyd - glutation ( y - glutamylocysteinyloglicyna ) odgrywa rolę w procesach utleniania i redukcji. Inne ważne biologicznie oligopeptydy naturalne to :

• oksytocyna 8 aminokwasów biorąca udział w symulacji skurczów macicy,

• wazopreksyna ( ADH ) - 8 aminokwasów odpowiadających za resorpcje wody w nerce,

• angiotenystyna - 9 aminokwasów działająca w układzie RAA ( renina - angiotensyna - aldosteron ).

Polipeptydy.

Polipeptydy zbudowane są z ponad 10 - 100 aminokwasów połączonych wiązaniami peptydowymi. Do najbardziej znanych peptydów naturalnych należą :

• glukagon 29 aminokwasów podwyższający poziom cukru we krwi,

• ACTH adrenokortykotropina 39 aminokwasów symulująca działanie kory nadnerczy,

• insulina 51 aminokwasów obniżająca poziom cukru we krwi,

• kalcytonina 32 aminokwasy obniżająca poziom wapnia we krwi i stymulująca kostnienie.

BIAŁKO

Białka - są to związki wielocząsteczkowe, zbudowane ze 100 aminokwasów i posiadające struktury. Pomimo że wszystkie białka zbudowane są z aminokwasów, różnią się między sobą właściwościami fizycznymi i chemicznymi. Do cech wspólnych białek należą :

• ich wielkocząsteczkowa budowa,

• brak możliwości przechodzenia przez błony półprzepuszczalne,

• koloidalny charakter ich roztworów oraz wrażliwość na czynniki denaturacyjne i inne.

W budowie białek wyróżnić można strukturę pierwszorzędową i struktury wtórne.

Struktura pierwszorzędowa - to sekwencja ( kolejność ) aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym. Jest ona uwarunkowana genetycznie, a stabilizują ją wiązania peptydowe, łączące aminokwasy sąsiadujące ze sobą w łańcuchu polipeptydowym.

Struktury wtórne - to struktur drugo, trzecio i czwartorzędowa. Umożliwiają one jak najbardziej ekonomiczne upakowania łańcuchów polipeptydowych, składających się w przypadku niektórych białek z wielu tysięcy aminokwasów.

Struktura drugorzędowa - to przestrzenne ( w przestrzeni ) ułożenie łańcucha polipeptydowego. Uwarunkowana jest strukturą pierwszorzędową, a stabilizującą ją wiązania wodorowe i mostki dwusiarczkowe. Struktura drugorzędowa może być wytworzona w obrębie jednego łańcuch polipeptydowego, który zwinięty spiralnie daje a- helix, lub przez łańcuch polipeptydowy biegnący obok siebie.

Struktura trzeciorzędowa - to przestrzenne ułożenie struktury drugorzędowej. Strukturę trzeciorzędową stabilizują wiązania hydrofobowe, jonowe, siły van der Waalsa.

Struktura czwartorzędowa - to większość znanych białek, które mają trzy struktury lecz tylko niektóre posiadają strukturę czterorzędową. Polega ona na ułożeniu podjednostek białkowych względem siebie. Strukturę stabilizują słabe wiązania jonowe, hydrofobowe, a niektóre dwusiarczkowe. Przykładem białka posiadającego wszystkie cztery struktury jest hemoglobina, będąca tetramerem ( 2 podjednostki alfa i 2 podjednostki beta ).

WŁAŚCIWOŚCI BIAŁEK.

Białka wykazują właściwości polielektrolityczne. W zależności od pH środowiska zmieniają się znaki i wielkości ładunku cząsteczek, a także właściwości białek, takie jak zdolność wiązania wody, nieorganicznych i organicznych jonów oraz różnych drobno - wielocząsteczkowych związków organicznych. Rozpuszczalne są głównie tylko białka globularne. Rozpuszczalność białek zależy od budowy i kształtu cząsteczek, wielkości i liczby łańcuchów polipeptydowych oraz powinowactwa do rozpuszczalnika.

Podział białek

Właściwości chemiczne białek zależą głównie od rodzaju aminokwasów wchodzących w ich skład. Dlatego, biorąc pod uwagę skład i właściwości chemiczne, białka można podzielić na zasadowe, obojętne i kwaśne. W białkach zasadowych do których zaliczamy histony i protaminy, przeważają aminokwasy zasadowe o ok. 25%, które stanowią lizyna i arginina.

W białkach obojętnych występuje aluminy, skleroproteidy, w których niema wyraźnej przewagi ilościowej aminokwasów zasadowych czy kwaśnych.

Podział białek :

• białka proste,

• białka złożone.

Białka proste - zbudowane są tylko z aminokwasów, np. albumina.

Białka złożone - zawierają, oprócz aminokwasów, także część niebiałkową.

WĘGLOWODANY.

Węglowodany ( cukry ) to związki organiczne bardzo rozpowszechnione w przyrodzie, będącej dla człowieka podstawowym materiałem energetycznym. Swoją nazwę zawdzięczają temu, że w ich budowie węgiel oraz tlen i wodór są w takim składzie, jak w wodzie. Na przykład glukoza C6H1206, zapisana inaczej, to C6(H20)6. Przy spalaniu węglowodanów powstaje z nich dwutlenek węgla ( węgiel i para wodna ( woda ). Chemicznie węglowodany to inaczej polihydroksyaldehydy lub polihydroksyketony. Węglowodany możemy podzielić na ; cukry proste i złożone.

Cukry proste ( monosacharydy ) - mogą mieć w cząsteczce różną liczbę atomów węgla, w związku z czym wyróżniamy triozy - 3C ( trzy atomy węgla ), tetroz - 4C, pentozy - 5C, heksozy - 6C i heptozy - 7C. Cukry proste mogą różnić się również grupą funkcyjną. Zależnie od tej grupy można je podzielić na aldozy - posiadające grupę aldehydową i ketozy - posiadające grupę ketonową. W monosacharydach istnieje możliwość stereoizomerii ( ten sam wzór strukturalny, ale różna konfiguracja przeszczenna ). Jest to związane z występowaniem węgli asymetrycznych, czyli mających cztery różne podstawniki.

Cukry złożone - wśród cukrów złożonych możemy wyróżnić :

• oligosacharydy,

• polisacharydy.

Oligosacharydy - zbudowane są z kilku cząstek monosacharydowech. Do najczęściej spotykanych oligosacharydów należą dwucukry :

• maltoza ( 2 glukozy połączone wiązaniem glikozydowym ),

• izomaltoza ( 2 glukozy połączone wiązaniem ),

• sacharoza ( glukoza i fruktoza połączone ),

• laktoza ( glukoza i galaktoza połączone wiązaniem glikozydowym ).

Polisacharydy ( wielocukry ) - wśród których wyróżnia się :

• homoglikany zbudowane z wielu cząsteczek jednego monosacharydu ( skrobia, glikogen, celuloza, inulina ),

• heteroglikany ( mukopolisacharydy )- cukry, w których skład wchodzi wiele cząstek pochodnych cukrowych zawierających reszty niecukrowe. Przykładami heteroglikanów są kwasy hialuronowy, kwas chondroitynosiarkowy i heparyna.

Kwas hialuronowy - zbudowany jest z wielu powtarzających się sekwencji dwucukrowych, w których skład wchodzą : kwas glukuronowy i N- acetyloglukozamina, połączone wiązaniem glikozydowym. Kwas hialuronowy jest składnikiem płynu wyściełającego torebki stawowe i pochewki ścięgniste.

Kwas chondroitynosiarkowy - buduje wiele fragmentów dwucukrowych złożonych z kwasu glukuronowego i siarczanowej pochodnej N- acetylogalaktozaminy, połączonych wiązaniem glikozydowym. Podobnie jak kwas hialuronowy, jest składnikiem płynów stawowych i wyściełających panewki oraz torebki ścięgniste. Podobnie zbudowana jest HEPARYNA fragment dwucukrowy powtarzający się wielokrotnie to siarczanowa pochodna glukozaminy, zestryfikowana dodatkowo resztą kwasu siarkowego, połączona wiązaniem z siarczanową pochodną kwasu glukuronowego.

Heparyna - działa jako czynnik przeciwkrzepliwy.

Właściwości cukrów.

Właściwości cukrów - związane są z ich budową. Monosacharydy mają właściwości redukujące, co zależy od obecności wolnej grupy aldehydowej lub ketonowej. Właściwości redukujące wykazują też niektóre dwucukry ( maltoza, izomaltoza, laktoza ), w których jedna grupa aldehydowa jest wolna. Wykorzystuje się to w jakościowej i ilościowej analizie cukrów. Wielocukry tworzą kompleksy z jodem. Aby zanalizować ich skład, przeprowadza się hydrolizę do monosacharydów. Do identyfikacji cukrów stosowane są następujące metody:

• reakcje barwne ( tworzenie pochodnych furfuralowych ),

• reakcje barwne ( właściwości redukcyjne ),

• fermentacja,

• otrzymanie osazonów i hydrazonów ),

• badanie skręcalności płaszczyzny światła polaryzowanego.

Trawienie i wchłanianie węglowodanów.

Węglowodany przyjmowane w pożywieniu mają różną budowę, dlatego zróżnicowany jest ich proces trawienia. Wszystkie węglowodany trawione są w różnych odcinkach przewodu pokarmowego do cukrów prostych, ponieważ tylko w takiej formie mogą zostać wchłonięte.

Sacharoza - jest trawiona dopiero w jelicie cienkim, gdzie działa sacharaza. Enzym ten produkowany jest przez ścianę jelita cienkiego.

Laktoza - również rozkładana jest w jelicie cienkim przez laktozę. Aktywność tego enzymu jest największa u osesków i zmniejsza się z wiekiem.

Skrobia - trawienie skrobi rozpoczyna się już w jamie ustnej, gdzie działa amylaza ślinowa, będąca składnikiem śliny. Dekstryny trawione są dopiero w dwunastnicy. Wraz z sokiem trzustkowym do dwunastnicy dostaje się amylaza trzustkowa. Enzym tek kontroluje działanie amylazy ślinowej, rozbijając wiązania glikozydowe. Amylaza trzustkowa działa jednak dłużej, w wyniku czego z dekstryn powstają dwucukry :

• maltoza,

• izomaltoza.

Wchłanianie węglowodanów.

Węglowodany wchłaniane są z przełyku pokarmowego w formie cukrów prostych glukoza i galaktoza, głównie na drodze transportu czynnego w symporcie z sodem, natomiast fruktoza na drodze transportu biernego. Transport czynny glukozy zwany jest wykorzystaniem energii z ATP. Przebiega on w sprzężeniu z działaniem ATP-azy sodowo - potasowej. Energia z ATP nie jest potrzebna bezpośrednio do transportu glukozy, ale konieczna dla działania pompy sodowej, która wyrzuca sód z komórki wbrew gradientowi stężeń. Sód wraca do komórki na zasadzie różnic stężeń, a w symporcie z nim transportowana jest glukoza.

Transport glukozy do komórki.

Po wchłonięciu glukoza transportowana jest przez krew do wszystkich tkanek. Do komórek tkanek dostaje się przy udziale translokaz. Jest to transport wspomagany i odbywa się bez wydatkowania energii. Tkanki, których komórki posiadają receptory insulinowe, nazywany insulinozależnymi, natomiast nie posiadające tych receptorów insulinoniezależnymi. Do tkanek insulinoniezależnych glukoza dostaje się na zasadzie różnicy stężeń (transport bierny). Należą do nich komórki centralnego układu nerwowego, erytrocyty, komórki wątrobowe, komórki trzustki i nadnerczy. Tkanki insulinozależne to mięśnie i tkanka tłuszczowa.

Rola węglowodanów.

Węglowodany pełnią wiele funkcji, zależnie od swojej budowy. Cukry proste dostarczają organizmowi przede wszystkim energii. Służą również do syntezy pochodnych cukrowcowych, oligosacharydów oraz wielocukrów, które dostarczają reszt chemicznych w syntezie białek, tłuszczów czy związków biologicznie czynnych zawierających w swoim składzie cukry. Wielocukry pełnią głównie funkcję cukrów zapasowych ( glikogen, skrobia ), strukturalnych i ochronnych ( mukopolisacharydy ).

Przemiana glukozy.

Glukoza jest podstawowym cukrem prostym, hekosozą, występującym w organizmie człowieka. Wszystkie inne cukry mogą powstawać z glukozy, a także są w nim przemieniane. Jedynie w płynie nasiennym występuje fruktoza, która jest cukrem odżywczym dla plemników. Glukoza, która zostanie wchłonięta w przewodzie pokarmowym, jest transportowana do tkanek, gdzie ulega dalszym przemianom. Może ulegać spaleniu, dostarczając energii, lub przemianom w inne cukry i ich pochodne.

Główne procesy przemian cukrów.

Glikoliza, glukoneogeneza, cykl EMP, glikogeneza, glikogenoliza.

Wykład 08.12.2007r.

Kwasy nukleinowe.

Częścią niebiałkową białek złożonych, nukleoprotein, są kwasy nukleinowe. Są one zbudowane z nukleotydów połączonych ze sobą w łańcuch polinukleotydowy.

Nukleotydy.

Nukleotydy zbudowane są z zasady azotowej, reszty cukrowej i reszty fosforanowej. Występujące w nukleotydach zasady azotowe to puryny i pirmidyny. Do zasad purynowych należy adenina ( 6 - aminopuryna ) i guanina ( 2 - amino- 6 - oksypuryna ), natomiast do zasad pirmidynowych zaliczamy cytozynę ( 2 - oksy- 4 - aminopirymidyna ), uracyl ( 2,4 - dwuoksypirymidyna ) i tyminę ( 5 - metylo - 2,4 - dwuoksypirymidyna ). Zasada azotowa ( puryna lub pirmidyna ) połączona jest z resztą cukrową ( ryboza lub deoksyryboza ) wiązaniem N - glikozydowym. W ten sposób powstaje nukleozyd. Jeżeli do nukleozydu zostanie przyłączona reszta kwasu fosforowego, to otrzymamy nukleotyd. W skład nukleotydu wchodzi więc nukleozyd i reszta kwasu fosforowego, przyłączona wiązaniem fosfoestrowym. W organizmie człowieka występują nukleotydy w formie wolnej i związanej

( w ostatniej - w kwasach nukleinowych ).

Wolne nukleotydy.

Wolne nukleotydy spełniają wiele ważnych funkcji :

• mogą magazynować energię w postaci wiązań wysokoenergetycznych w formie trójfosforanów ( ATP, GTP, CTP, UTP ),

• energia ta może być z kolei wykorzystywana w wielu procesach wymagających energii ( procesy fosforylacji, aktywacji związkowej ),

• trójfosforany są konieczne do wytwarzania związków aktywnych np. aktywna cholina ( CDP - cholina ), aktywna glukoza ( UDP - glukoza ) czy aktywny metyl ( S - adenozylometionina ),

• cykliczny AMP ( cAMP ), powstający z ATP, czyli cykliczny GMP (cMGP), są wtórnymi przekaźnikami informacji hormonalnej w działaniu hormonów białkowych,

• są składnikami koenzymów ( NAD, NADP, FAD ).

Nukleotydy związane.

Nukleotydy związane tworzą struktury biochemiczne kwasów nukleinowych.

Budowa kwasów nukleinowych.

W kwasach nukleinowych

CYKL KREBSA.

TCA jest cyklicznym szeregiem biochemicznych procesów redukcji i utleniania, którego elementami chemicznymi są kwasy karboksylowe (trójkarboksylowe, czyli zawierające trzy grupy karboksylowe), za pierwszy element uznaje się cytrynian, a jego główne etapy jako pierwszy opracował Sir H. Krebs - dlatego proces ten nazywa się cyklem kwasu cytrynowego, cyklem kwasów trójkarboksylowych (TCA) lub cyklem Krebsa. Jest to proces, który przebiega w całości w matriks w mitochondrium (jest to wręcz symboliczny cykl dla tego organellom komórkowego).

Ogólny schemat cyklu kwasu cytrynowego zaczyna się od powstawania 6-węglowej cząsteczki cytrynianu z 4-węglowego szczawiooctanu i dwuwęglowej grupy acetylowej pochodzącej z acetylo-CoA. 6-węglowy cytrynian następnie ulega podwójnej dehydrogenacji (-2H⁺) i podwójnej dekarboksylacji (-2CO₂) dając 4-węglowy kwas karboksylowy; ten z kolei ulegając kilku dehydrogenacjom i hydratacji (+H₂O) przekształca się ponownie w szczawiooctan i cykl się zamyka.

Cykl Krebsa, czyli cykl kwasu cytrynowego to cykl przemian metabolicznych, który przebiega w komórkach wszystkich organizmów oddychających tlenem. Został on odkryty w 1937 roku przez Hansa Krebsa i to od nazwiska tego biochemika bierze się jego nazwa.

Cykl Krebsa u eukariontów zlokalizowany jest wewnątrz mitochondriów - ważnych organelli komórkowych (u prokariontów przebiega w cytoplazmie). Składa się on z 9 etapów, katalizowanych przez 8 odrębnych enzymów (dwa etapy katalizuje ten sam enzym).
Zadaniem cyklu Krebsa jest utlenić związek o nazwie: acetylokoenzym A (acetylo-CoA) do 2 cząsteczek dwutlenku węgla (CO₂), a pozyskaną w tym procesie energię ulokować w chemicznych nośnikach energii: GTP, NADH i FADH₂.

Sumaryczny wzór cyklu Krebsa to:

acetylo-CoA + GDP + P_i + 3NAD⁺ + FAD + 2H₂0 → koenzym-A + GTP + 3NADH + 3H⁺ + FADH₂ + 2CO₂

Podczas jednego, pełnego obrotu cyklu Krebsa powstają 3 cząsteczki NADH, jedna cząsteczka FADH₂ i jedna cząsteczka GTP. Najbardziej wszechstronnym nośnikiem energii w komórce jest ATP. GTP jest łatwo zamieniany na ATP przez odpowiedni enzym. Natomiast NADH i FADH₂ biorą udział w mitochondrialnym łańcuchu oddechowym - przemianie, która zamienia energię tych zredukowanych związków na energię wiązań ATP. Niezbędnym uczestnikiem łańcucha oddechowego jest tlen.

Jedna cząsteczka NADH pozwala wyprodukować 3 cząsteczki ATP, a jedna cząsteczka FADH₂ - 2 cząsteczki ATP. Nietrudno więc obliczyć, że jeden pełny obrót cyklu Krebsa pozwala wytworzyć 12 cząsteczek ATP - uniwersalnego nośnika energii dla komórki (3 x 3 + 1 x 2 + 1 = 12).

Schemat całego cyklu przedstawiono poniżej (z pominięciem enzymów):

Acetylokoenzym A jest cząsteczką centralną dla metabolizmu tlenowców. Jest on produktem deaminacji wielu aminokwasów, cząsteczką końcową tzw. beta-oksydacji kwasów tłuszczowych, a także związkiem, w który przeprowadzany jest pirogronian - produkt glikolizy monocukrów.
A więc to dzięki tej "zbiorczej" cząsteczce, komórka może uzyskiwać energię zarówno z aminokwasów (składniki białek), jak i z tłuszczów i cukrów.

Zauważmy, że drugim substratem, do którego przyłączany jest acetylo-CoA na początku cyklu Krebsa, jest szczawiooctan. Ale mamy tu do czynienia z cyklem, czyli szczawiooctan jest także jednym z produktów końcowych. Cały cykl bierze zatem udział w utlenianiu acetylokoenzymu A, ale pozostaje on niezmienny dzięki swojej cykliczności (koniec przechodzi w początek). Jeśli coś uczestniczy w reakcji, a mimo to nie zmienia się, to jest to katalizator. A więc możemy traktować cały cykl Krebsa jak jeden, złożony katalizator.

---