1

1. Biochemia - wstęp

Komórka:
najmniejsza podjednostka
organizmu zdolna do życia.
Składa się z cytozolu
i organelli.

Jądro (eukarionty)
lub nukleoid (bakterie)

błona cytoplazmatyczna

cytoplazma
zawiera organelle

wirowanie 150,000 x g

supernatant: zawiera cytozol:
enzymy, RNA, jony

osad: organelle, rybosomy,
mitochondria, chloroplasty,
retikulum endoplazmatyczne

Bakterie Eschericha coli

Drożdże

Bakterie

rybosomy

nukleoid

pili

ściana komórkowa

Komórka eukariotyczna

2

Białka transmembranowe (przezbłonowe)

Białko transportowe Receptor Kanał jonowy

jony, składniki odżywcze ligandy

jony

jony, składniki odżywcze substrat

→

→

→

→

produkt jony

(sygnały wewnątrzkomórkowe)

Retikulum endoplazmatyczne (siateczka śródplazmatyczna)

jądro

szorstkie retikulum

endoplazmatyczne

białka wydzielane

pęcherzyk
transportowy

gładkie retikulum
endoplazmatyczne

aparat Golgiego

pęcherzyki
wydzielnicze

lizosom

endocytowa
fagozytoza

wydzielanie białek

fagosom
endosom

fagozytoza: rodzaj endocytozy,
w którym wchłaniane są części stałe

ściana
komórkowa mitochondrium

wakuola

cytozol

tonoplast
(błona
wakuoli)

chloroplast

Komórka roślinna

turgor

Turgor: stan napięcia komórki, wywołane potencjałem osmotycznym soku komórkowego

Jądro komórkowe

Jąderko:
transkrypcja rRNA

Pory jądrowe

Chromatyna:
kompleks DNA i histonów

Rybosomy

Szorstkie retikulum
endopl.

pory jądrowe

Chromosom

chromatyna
(30 nm)

nukleosomy
(10 nm)

histony

DNA

Chromosom
(widoczny w czasie mitozy)

chromatyda
(600 nm srednicy)

Mitochondrium:
producent energii

DNA

matriks

rybosomy

błona wewnętrzna

błona zewnętrzna

3

Chloroplasty: przetwarzają energię słoneczną w energię chemiczną

błona zewnętrzna

błona wewnętrzna

DNA

tylakoidy

rybosomy

Fotosynteza wytwarza O

2

jako produkt uboczny wytwarzania energii (ATP)

Cytoszkielet stabilizuje kształt komórki, tworzy organizację cytoplazmy

i wytwarza ruch

włókna aktyny mikrotubule

przejściowe filamenty

wiązka włókien aktynowych

Komórki barwione
swoistym przeciwciałem
związanym z barwnikiem
fluorescencyjnym

Stabilne,
pałeczkowate
struktury,
zbudowane z białka
aktyny

Stanowią podporę
strukturalną; biorą
udział w ruchach
komórek i organelli
oraz podziale
komórek

mikrofilamenty

Komórki barwione swoistym
przeciwciałem związanym z
barwnikiem
fluorescencyjnym

Filamenty
pośrednie

Stabilne,
pałeczkowate
struktury,
zbudowane z
białkowych
cząsteczek różnych
rodzajów

Stanowią podporę
strukturalną; biorą
udział w ruchach
komórek i organelli
oraz podziale
komórek

Filamenty pośrednie
są strukturami
stabilnymi

Komórki barwione swoistym
przeciwciałem związanym z
barwnikiem
fluorescencyjnym

mikrotubule

Puste rurki zbudowane z
podjednostek złożonych
z białka tubuliny

Stanowią podporę
strukturalną; biorą
udział w ruchach
komórek i organelli oraz
podziale komórek;
składniki rzęsek, wici,
centrioli

Cytoszkielet

błona komórkowa

rybosomy

ziarniste ER

mikrofilamenty

mikrotubule

filamenty
pośrednie

mitochomdrium

4

mikrofilamenty

Filamenty pośrednie

Monomer
aktyny

Podjednostki włókna

mikrotubule

tubulina

α

αα

α

tubulina

ββββ

tubulina

dimer

monomer

monomer

Filamenty pośrednie

Mikrofilamenty komórek jelita (mikrokosmki)

Czapeczka białek jest
przyłączona do końca
filamentów

aktyna

Białko sieciujące
aktynę, łączy
filamenty i błonę
komórkową

Aktyna

→

→

→

→

filamenty

podjednostki
aktyny

filamenty

filamina

fodryna

Mikrotubule

Długie, puste struktury, składające się z

α

αα

α

- i

ββββ

-tubuliny

TAKSOL

Wiąże mikrotubule w czasie mitozy
i zapobiega podziałom komórki.
Stosowany w raku piersi i jajnika
jako Paclitaxel

®

Cis kanadyjski (Taxus brevifolia)

5

filamenty aktynowe

miozyna

organellum
cytoplazmatyczne

filamenty aktynowe

wakuola

chloroplasty
w stacjonarnej cytoplazmie

ruch

Transport organelli

Kinezyna i dyneina: silniki napędzane ATP, które przyczepiają się do organelli

i ciagną je wzdłuż mikrotubularnych „szyn”

organellum albo pęcherzyk

kinezyna

dyneina

mikrotubule

dimer tubuliny

Molekularne silniki: kinezyna, dyneina, miozyna

kinezyna

dyneina

miozyna

lekkie łańcuchy

aktyna

Rzęski są zbudowane z mikrotubuli

Przekrój poprzeczny
przez pojedynczą
rzęskę

Trzy rzęski

Przekrój poprzeczny przez pojedynczą rzęskę

9 par +2
mikrotubule

Białko łączące
neksyna

Białko ruchowe
dyneina

Podstawa
posiada 9 par
mikrotubuli

Przekrój poprzeczny przez rzęski

6

Białka ruchowe dyneina i kinezyna wykorzystują ATP do

przesunięcia obiektu

Dyneina odpowiada za ruch wici

Podwójne mikrotubule

Dyneina jest na stałe
przyłączona do jednej
mikrotubuli i przesuwa ją

Kierunek ruchu

Pęcherzyki lub
organella

Mikrotubule
cytoszkieletu

Kierunek ruchu

Kinezyna wędruje wraz z pęcherzykami

Badanie składników
komórki

wirowanie
różnicowe

wirowanie
w gradiencie
gęstości

Komórka wydzielnicza trzustki

duże retikulum endoplazmatycze

Komórki mięśnia

filamenty aktyny i miozyny przemiszczają się wzajemnie, korzystając z energii ATP

Plemniki

Erytrocyty

7

Hierarchiczna budowa komórki

komórka

struktury
subkomórkowe

makrocząsteczki

podjednostki
monomeryczne

Rodzaje wiązań z udziałem atomów węgla

Geometria wiązań z udziałem atomów węgla

Grupy funkcyjne biocząsteczek

metyl

etyl

fenyl

Grupy funkcyjne biocząsteczek

karbonyl
(aldehyd)

karbonyl
(keton)

karboksyl

hydroksyl

eter

ester

bezwodnik
(dwa karboksyle)

8

Grupy funkcyjne biocząsteczek

amino

amido

guanidyno

imidazol

Grupy funkcyjne biocząsteczek

sulfhydryl

disiarczek

tioester

Grupy funkcyjne biocząsteczek

fosforyl

bezwodnik fosforowy

bezwodnik karboksylowo-
fosforylowy

Struktura cząsteczki: alanina

Geometryczne izomery (cis, trans)

kwas maleinowy (cis) kwas fumarowy (trans)

światło

11-cis-retinal trans-retinal

Izomery geometryczne : przemiana cis-retinalu w trans jest pierwszym

etapem w procesie widzenia

9

Izomery optyczne: cząsteczki chiralne i achiralne

wyjściowa
cząsteczka

lustrzane
odbicie

wyjściowa
cząsteczka

lustrzane
odbicie

cząsteczka chiralna cząsteczka achiralna

Enancjomery i diasteroizomery

enancjomery (lustrzane odbicia) enancjomery (lustrzane odbicia)

diastereoizomery (nie są lustrzanymi odbiciami)

Ludwik Pasteur

Pasteur rozdzielił kryształy kwasu winowego za pomocą pincety

i wykazał, że roztwór takich kryształów skręca strumień

spolaryzowanego światła w różne strony

kwas 2R, 3R- winowy kwas 2S, 3S-winowy

Konfiguracja absolutna

R: zgodnie z ruchem

wskazówek zegara

S: przeciwnie do ruchu

wskazówek zegara

wielkość grup: 1<2<3

Konfiguracja D,L

aldehyd L-glicerynowy aldehyd glicerynowy (S)

10

Konformacje energetycznie korzystne: cząsteczka etanu

Energia
potencjalna
(kJ/mol)

k,ąt skręcenia (stopnie)

Stereoizomery: różnice we właściwościach

(R)-karwon
(mięta)

(S)-karwon
(kminek)

Przepływ energii w żywych
organizmach

Energia a procesy mechaniczne

Energia a procesy chemiczne

11

Utrzymywanie porządku wymaga pracy i energii

∆∆∆∆

G =

∆∆∆∆

H - T

∆∆∆∆

S

G: wolna energia
H: entalpia (opisuje ilość i rodzaj wiązań chemicznych)
T: temperatura
S: entropia (opisuje stopień uporządkowania)

Proces odbywa się spontanicznie tylko wtedy,
gdy

∆∆∆∆

G jest ujemna.

Entropia wzrasta, kiedy stopień uporządkowania maleje

C

6

H

12

O

6

+ 6O

2

→

→

→

→

6CO

2

+ 6H

2

O

Informacja i entropia

Energia zmienia się w czasie reakcji

wolna
energia, G

współrzędna reakcji

substraty (A)

produkty (B)

bariera aktywacji

Klasyfikacja organizmów według źródła energii

Ewolucja

12

ATP (adenozynotrifosforan): usunięcie grupy fosforanowej

powoduje wydzielenie energii

Rola ATP w metabolizmie

Metabolizm – podstawowe pojęcia

Reakcja termodynamicznie korzystna umozliwia przebieg reakcji rermodynamicznie

niekorzystnej.

śywe organizmy potrzebują ciągłego dopływu energii swobodnej do spełnienia 3

głównych celów:

1.

Wykonywania pracy mechanicznej.

2.

Aktywnego transportu cząsteczek i jonów.

3.

Syntezy makrocząsteczek z prostych prekursorów.

Organizmy fototroficzne uzyskują ją w wyniku pochłaniania energii świetlnej,

a organizmy chemotroficzne – w wyniku utleniania pożywienia.

Przenośnikiem energii swobodnej w większości procesów zużywających energię jest

adenozynotrifosforan (ATP).

Trzy typy metabolizmu

skupiający (kataboliczny)

rozpraszający (anaboliczny)

cykliczny (stałe odnawianie substratu)

Acetylo-CoA, główny pośrednik

Cykl kwasu cytrynowego

13

ATP – środek wymiany energii swobodnej

ATP + H

2

O = ADP + P

i

+ H

+

= -30,6 kJ/mol

ATP + H

2

O = ADP + PP

i

+ H

+

= -30,6 kJ/mol

Energia swobodna uwolniona w czasie hydrolizy ATP,
jest wykorzystywana do przeprowadzania
reakcji wymagających jej dostarczenia, takich jak skurcz mięśni.

Z drugiej strony, tworzenie ATP z ADP i P

i

następuje w wyniku utleniania pokarmu

w organizmach chemotroficznych, czy też pochłaniania energii świetlnej
w organizmach fototroficznych.

Cykl ATP-ADP jest podstawowym sposobem wymiany energii w układach biologicznych.

Tworzenie oraz zużywanie ATP

są procesami ciągłymi

ATP służy jako bezpośredni donor energii swobodnej

w układach biologicznych.

W typowej komórce cząsteczka ATP jest zużywana

w ciągu minuty od jej powstania.

Odpoczywający człowiek zuzywa ok. 40 kg ATP w ciągu doby.
W czasie wysiłku szybkość zużycia ATP może wynosić 0,5 kg na minutę.

Organizmy chemotroficzne uzyskują energię swobodną

w wyniku utleniania cząsteczek paliwa, takich jak glukoza i

kwasy tłuszczowe.

W organizmach tlenowych końcowym akceptorem elektronów jest O

2

.

Substraty przekazują elektrony do specjalnych przenośników
oksydoredukcyjnych. które są albo nukleotydami pirymidynowymi,
albo flawinami.

Zredukowane formy tych przenośników przekazują następnie
swoje elektrony o wysokim potencjale do O

2

za pośrednictwem

łańcucha transportu elektronów,
który znajduje się w wewnętrznej błonie mitochondriów.

Gradient protonowy powstający w wyniku tego przepływu
elektronów zasila następnie syntezę ATP z ADP i P

i

.

Proces ten nazywany jest

fosforylacją oksydacyjną.

Robaczek świętojański: ATP jest źródłem energii użytej do świecenia

Lucyferyna

: wydziela światło w czasie utleniania

do oksylucyferyny, katalizowanego przez lucyferazę.

W tej rakcji następuje odszczepienie AMP z kompleksu
lucyferyna-ATP.

DNA: podstawowy nośnik informacji

14

Dogmat biologii molekularnej

replikacja

transkrypcja

translacja

białko

DNA uwolnione z bakteriofaga T2

Długość genomu E. coli: 4 639 221 par zasad = 1.7 mm

Wielkość genomów u różnych organizmów

DNA

→

→

→

→

RNA

→

→

→

→

białko

Abiotyczna produkcja
biocząsteczek

15

Jak powstało życie?

Chronologia ewolucji

Ewolucja eukariotów przez endosymbiozę

Anatomia organizmów wykazuje ewolucyjne pokrewieństwo

Biochemia - wstęp

Tematy do zapamiętania

1. Budowa komórki, rola organelli (jądro, retikulum endoplazmatyczne,

aparat Golgiego, lizosomy, mitochondria).

2. Szkielet komórkowy: budowa i funkcja (mikrofilamenty,

mikrotubule, filamenty pośrednie).

3. Biocząsteczki: grupy funkcyjne (aldehyd, ester, eter, keton, alkohol,

amina, amid, kwas karboksylowy, grupa tiolowa).

4. Izomery optyczne: konfiguracja DL i RS.
5. Energia swobodna, entalpia, entropia.
6. ATP jako przenośnik energii.
7. DNA jako nośnik informacji: replikacja, transkrypcja, translacja.