WYKŁAD 1 1.10.2008

Podstawowe pojęcia, struktura komórki, katabolizm i anabolizm. Organiczne związki azotu - aminy, nitrozwiązki, aminokwasy, zasady purynowe i zasady pirymidynowe, alkaloidy

Biochemia - Nauka na pograniczu chemii organicznej, medycyny i biologii, zajmująca się substancjami organicznymi o dużym znaczeniu biologicznym, takimi jak białka, węglowodany, lipidy, kwasy nukleinowe, aminokwasy oraz przemianami chemicznymi zachodzącymi wewnątrz żywych komórek

Biochemia żywienia - w dużym stopniu zajmuje się podstawowymi składnikami żywności, ich metabolizmem oraz opisem biotechnologicznych procesów stosowanych przy wytwarzaniu żywności

PODZIAŁ ORGANIZMÓW NA PODSTAWIE ANALIZY GENETYCZNEJ

• Bacteria (bakterie)

• Archea (archeony)

• Eukarya (Eucaryota, Eukaryota)

Podstawowe elementy komórki

• Błona komórkowa

• Jądro komórkowe

• Mitochondrium

• Chloroplast

• Retikulum endoplazmatyczne

• Szorstkie

• Gładkie

Podstawowe pojęcia:

• Metabolizm - całokształt procesów biochemicznych zachodzących w żywych komórkach, np. przemiana materii, energii

• Anabolizm - przebudowa i synteza złożonych substancji z prostych związków. Przykładem jest rozwój mięśni u sportowców. Dominuje u młodych osób

• Katabolizm - proces rozpadu złożonych związków na proste, z uzyskaniem energii. Dominuje u osób starszych

• Szlak metaboliczny - ciąg reakcji zachodzących po sobie i prowadzących do uzyskania produktu

• Cykle biochemiczne - szlaki metaboliczne, w których końcowy produkt jest jednocześnie substratem rozpoczynającym cały szlak

Reakcje termodynamiczne korzystne i niekorzystne są ze sobą sprzężone

Reakcja A+B C+D

Wzór na zmianę energii swobodnej:

=0 - reakcja nie przebiega, stan równowagi

>0 - reakcja niekorzystna energetycznie, nie przebiega (energia substratu jest mniejsza od energii produktu)

<0 - reakcja korzystna energetycznie, układ dąży do obniżenia swojej energii, reakcja zachodzi

- zmiana energii swobodnej

- zmiana standardowej energii swobodnej

R - stała gazowa

T - temperatura absolutna

[A],[B],[C],[D] - stężenia molowe poszczególnych substancji

ATP - adenozynotrifosforan, uniwersalny przenośnik energii w organizmach żywych. Jest bogaty w energię dzięki 2 bezwodnikowym wiązaniom fosforanowym

Adenina + ryboza + trifosforan

ODDZIAŁYWANIA MOLEKULARNE

• Wiązania kowalencyjne C-C C=O E>300 kJ/mol

• Wiązania elektrostatyczne (w roztworze wodnym, dla dwóch różnoimiennych ładunków w odległości 0,3 nm E = ok. 6 kJ/mol)

• Wiązania wodorowe E=4-13 kJ/mol

• Oddziaływania Van der Waalsa E=2-4 kJ/mol (dla 1 pary atomów)

• Oddziaływnaia hydrofobowe (w środowisku wodnym) i odpychanie się atomów (zawada przestrzenna)

PODSTAWOWE ZWIĄZKI ORGANICZNE

• Kwas glutaminowy

• Glicyna

• Leucyna

• Alanina

Doświadczenie Ureya - Mittlera (stymulacja warunków prebiotycznych): pod wpływem wyładowań elektrycznych

• Z NH3, CH4, H2, H2O powstały aminokwasy (rys);

• Z HCHO - różne cukry: ryboza;

• Z HCN - adenina, składnik DNA

Aminy - arylowe i alkilowe pochodne amoniaku

• Biogenne (dekarboksylacja aminokwasów) - toksyczne, silne działanie fizjologiczne

• Putrescyna (z ornityny)

• Kadaweryna (z lizyny)

• Tyramina (z tyrozyny)

• Histamina (z histydyny)

• Tryptamina (z tryptofanu)

• Cysteamina (z cysteiny), skł. CoA

• 
  -alanina - (z asparaginianu) skł. CoA

• 4-aminomaślan

Histamina

• Gromadzi się w zepsutym mięsie ryb jako efekt działania enzymów bakteryjnych, duże stężenia histaminy (np. kilkaset mg/100g mięsa makreli, tuńczyka) powoduje zatrucia

• Pełni funkcję hormonu - stymuluje skurcz mięśni gładkich, stymuluje wydzielanie śluzu

Azotany (V), (III)

• Żywność źle uprawiana, przede wszystkim przenawożona, gł. warzywa liściaste - burak, seler, szpinak, rzodkiewka, sałata, marchew, kapusta; najmniej warzywa owocowo - nasienne - groch, fasola, bób, ogórek, pomidor

• Woda pitna dla zwierząt: zanieczyszczona ściekami komunalnymi i odchodami zwierzęcymi, również nawozami spływającymi z pól uprawnych

• Wyładowania atmosferyczne

• Procesy przetwórcze, peklowanie mięsa (różowa barwa i aromat)

AZOTANY III SĄ BAKTERIOSTATYCZNE, np. dla Clostridium Botulinum, mogą neutralizować kancerogeny powstające w wyniku pirolizy białek

N-Nitrozoaminy

• Posiadają silne właściwości rakotwórcze, obecne w pelowanym mięsie, wędzonych rybach, piwie, sosie sojowym

Prekursory:

• Azotany (V) (warzywa nawożone, zanieczyszczone środkami nawożącymi)

N-Nitrozoaminy powstają głównie w środowisku kwaśnym, w żołądku, w wyniku nitrozowania amin obecnych w żywności, przy udziale azotanów (III) lub (V) (zredukowanych wcześniej do azotanów (III))

DEN

N-Nitrozodimetyloamina

N-Nitrozopyrroidyna

N-Nitrozopiperydyna

Neurotransmitery (tzw katecholoaminy, pochodne tyrozyny)

• Adrenalina

• Noradrenalina

• Dopamina

• Tyrozyna

Adrenalina - hormon odpowiedzialny za reakcję „walcz lub uciekaj”, wytwarzany w części rdzeniowej nadnerczy, stymuluje rozkład glikogenu w mięśniach

Noradrenalina - regulacja rozkładu triacylogliceroli (hormon kataboliczny) przez aktywację cyklazy adenylowej

Dopamina - niski jej poziom powoduje chorobę Parkinsona, lekiem są inhibitory enzymu rozkładającego dopaminę (oksydazy monoaminowej)

Pierścienie heterocykliczne z azotem

Pirydyna

Amid kwasu nikotynowego, wit PP

Pirodoksal

Pirydoksyna

Pochodne pirydyny - np. wit. PP, wit, B

Pochodne pirazyny charakteryzują się intensywnym zapachem, występującym w pieprzu (2-metoksy-3-izobutylopirazyna), ziemniakach - zapach pleśni (2-metoksy-3-izopropylopirazyna) i zielonym groszku

Zasady azotowe występujące w kwasach nukleinowych

• Adenina RNA, DNA

• Cytozyna RNA, DNA

• Guanina RNA, DNA

• Tymina DNA

• Uracyl RNA

• Pirymidyna

• Puryna

Alkaloidy

• Kofeina - w kawie, herbacie, coca-coli, czekoladzie, pobudza ośrodkowy układ nerwowy i znosi zmęczenie psychiczne i fizyczne, poprawia sprawność myślenia, działa moczopędnie

• Efedryna - stosowana przy odchudzaniu, ogranicza łaknienie, przyspiesza tempo spalania tkanki tłusxczowej; powoduje bezsenność, ogólne pobudzenie, podwyższone ciśnienie krwi, zaburzenia w metabolizmie glukozy

• Nikotyna - składnik dymu tytoniowego, ma wpływ na działanie układu krwionośnego, podnosi stężenie CO2 we krwi; palenie tytoniu uzależnia

• Teobromina, teofilina - działa moczopędnie, obniża ciśnienie krwi

Wykład 2 8.10.2008

Aminokwasy, peptydy, białka (klasyfikacja, budowa, funkcje)

Aminokwasy - elementarne składniki białek, peptydów i ich pochodnych

Zawierają conajmniej:

• 1 grupę aminową

• 1 grupę karboksylową

Aminokwasy „białkowe”: centralny atom węgla C-alfa, do którego przyłączony atom wodoru, grupa alfa-aminowa, grupa alfa-karboksylowa oraz grupa boczna o zróżnicowanej budowie

Z wyjątkiem glicyny aminokwasy budujące białko w związku z występowaniem węgla asymetrycznego, mają konfigurację L (grupa NH2 z lewej strony we wzorze strukturalnym)

Podział aminokwasów

• Naturalne

• Białkowe (L)

• Pierwszorzędowe (kodowane)

• Endogenne (syntetyzowane w organizmie człowieka)

• Egzogenne (dostarczane wraz z pożywieniem, nie mogą być syntetyzowane w organizmie człowieka)

• Drugorzędowe

• Trzeciorzędowe

• Niebiałkowe (D,L)

• Syntetyczne (DL,L,D)

Aminokwasy naturalne, białkowe, pierwszorzędowe, hydrofobowe

Glicyna (Gly, G), alanina (Ala, A), walina (Val, V), leucyna (Leu, L), izoleucyna (Ile,I), metionina (Met,M), prolina (Pro, P), cysteina (Cys, C);

Fenyloalanina (Phe, F), tyrozyna (Tyr, Y), tryptofan (Trp, W)

Aminokwasy naturalne, białkowe, pierwszorzędowe, z grupą boczną obdarzoną ładunkiem i polarne bez ładunku

Arginina, lizyna, histydyna, asparaginian, glutaminian, seryna, treonina, asparagina, glutamina

(imidazol - daje pochodną histydynę; guanidyna - daje pochodną argininę)

Zmiana stanu jonizacji aminokwasów w zależności od pH

pI - punkt izoelektryczny - wartość pH, w którym sumaryczny ładunek jest równy 0 (przeważa forma jonu obojnaczego - forma dwubiegunowa)

NH3+, COOH COO-, NH3+ COO-, NH2

Kwaśne obojętne zasadowe

Aminokwasy naturalne, białkowe, pierwszorzędowe, egzogenne (AKE niezbędna)

• Grupa aminokwasów, które nie mogą być syntetyzowane w organizmie zwierzęcym i muszą być dostarczane z pożywieniem:

• Fenyloalanina

• Izoleucyna

• Leucyna

• Lizyna

• Metionina

• Treonina

• Tryptofan

• Walina

• (U dzieci dodatkowo histydyna i arginina)

• Białko roślinne zawiera mniej lizyny, treoniny, metioniny, argininy, tryptofanu w porównaniu do białek zwierzęcych (kanapki z szynką!!)

• Brak argininy u mężczyzn bezpłodność

• Tryptofan i lizyna - ważne w okresie ciąży i karmienia

Aminokwasy naturalne, niebiałkowe

• Wytwarzane są w organizmach żywych, mogą wchodzić w skład peptydów, ale nie można ich uzyskać w wyniku hydrolizy białek

• Hydroksyprolina - obecna w kolagenie, stabilizuje go w tkance łącznej i w kościach - nieprawidłowości - szkorbut

• Ornityna, Cytrulina - cykl mocznikowy

• Kwas L-alfa-aminoadypinowy (prekursor w syntezie penicyliny)

Aminokwasy kontaktowe

• Najbardziej reaktywne aminokwasy, często występujące w centrach aktywnych enzymów:

• Kas asparaginowy, glutaminowy

• Lizyna

• Histydyna

• Seryna

• Treonina

• Cysteina

Wiązanie peptydowe

• Wiązanie peptydowe (amidowe) powstaje na drodze kondensacji grupy alfa-aminowej i alfa-karboksylowej dwóch aminokwasów - powstaje dipeptyd + woda

• Powstawanie wiązania peptydowego wymaga dostarczenia energii. Wiele aminokwasów tworzy łańcuch polipeptydowy

• Kolejność aminokwasów to sekwencja aminokwasów poczynając od aminokwasu z wolną grupą alfa - aminową (N-koniec peptydu)

Przykłady oligopeptydów

• Glutation - tripeptyd, pełni funkcje przy regulacji potencjału redox w komórce, usuwa szkodliwe nadtlenki (reakcja)

• Oksytocyna - hormon, reguluje skurcze macicy i gruczołów mlekowych

• Wazopresyna - hormon, stymuluje i reguluje resorbcję wody w nerkach

• Aspartam - słodki peptyd, zastąpił sacharynę w słodzikach - 200x słodszy niż sacharoza - napoje gazowane „dietetyczne” znanych firm

• Insulina - hormon regulujący poziom cukru we krwi (51 reszt AA)

• Glukagon (29 AA) - działanie przeciwne do insuliny

• Penicyliny - antybiotyki peptydowe - hamują syntezę ściany komórkowej bakterii, np. penicylina G-benzylopenicylina

• Fallotoksyny i amatotoksyny - mikotoksyny

Struktury białka

• Białko to polipeptyd złożony z co najmniej 100 reszt aminokwasowych przyjmujących określoną konformację przestrzenną, jego masa zwykle przekracza 10 kDa. Białko ma strukturę I, II, III i ewentualnie IV-rzędową

I-rzędowa struktura białka

• Zapisana w genach kolejność aminokwasów w łańcuchu białkowym - powstaje na rybosomach w procesie translacji, utrzymywana przez silne wiązania kowalencyjne - wiązania peptydowe

• Wiązanie peptydowe jest płaskie, ma charakter wiązania podwójnego - nie ulega rotacji

• Wiązania z udziałem C-alfa mogą ulegać rotacji' umożliwiając zwijanie się białek na różne sposoby

II-rzędowa struktura białka - są to lokalne struktury powstające w wyniku tworzenia się wiązań wodorowych pomiędzy tlenem grupy C=O, a wodorem grupy N-H dwóch niezbyt odległych od siebie w łańcuchu wiązań peptydowych w obrębie tego samego łańcucha polipeptydowego

• Zwrot beta

• Pętla omega

• Helisa alfa

• Beta harmonijka (struktura beta)

Występowanie struktur II-rzędowych, aminokwasy często występujące i zakłócające strukturę II-rzędową

• Helisa alfa - ferrytyna, miozyna, fibryna skrzepów krwi (AA często występujące: Ala, Glu, Leu; AA zakłócające: Val, Thr, Ile, Ser, Asp, Asn, PRO)

• Harmonijka beta - białka wiążące kwasy tłuszczowe (AA często występujące: Val, Ile; AA zakłócające: PRO)

• Zwroty beta i pętle omega - występują na powierzchni białek, odpowiadają za oddziaływanie białek z innymi białkami lub ligandami (AA często występujące: Gly, Asn, Pro)

Struktura III-rzędowa

• Wzajemne położenie elementów struktury drugorzędowej stabilizowane przez oddziaływania hydrofobowe reszt aminokwasowych, tworzenie mostków dwusiarczkowych -S-S-, powstających pomiędzy dwiema resztami Cysteiny w łańcuchu, wiązania wodorowe, siły van der Waalsa;

• Wiązania jonowe

• Wiązania wodorowe

• Wiązania hydrofobowe

• Mostek dwusiarczkowy

• Oddziaływania elektrostatyczne dipol-dipol

Struktura IV-rzędowa

• Dotyczy białek posiadających więcej niż jeden łańcuch polipeptydowy, opisuje ilość i wzajemne ułożenie podjednostek cząsteczkowych (pojedynczych łańcuchów) białek, utrzymywane jest przez wiązania dwusiarczkowe, siły elektrostatyczne, wiązania wodorowe i oddziaływania hydrofobowe

• Powstawanie wiązań dwusiarczkowych: 2 cysteiny 2H+, 2e-, -S-S-

Denaturacja i renaturacja

Denaturacja białka - zjawisko praktycznie nieodwracalne (wyjątek rybonukleaza), powoduje dużą zmianę konformacji cząsteczki białka z równoczesną utratą jej biologicznej aktywności, zachodzi pod wpływem

• Wysokiej temperatury

• Mocnych kwasów i zasad

• 8M mocznika

• 6M chlorku guanidyny

• Detergentów

• Niektórych związków aromatycznych

• Wysokiego stężenia jonów metali

Denaturacja - znaczenie

• Powoduje zmianę punktu izoelektrycznego i obniża rozpuszczalność białka

• Wykorzystywana jest w procesie obróbki produktów żywnościowych, w celu inaktywacji enzymów katalizujących niepożądane reakcje, np. powodujących ciemnienie owoców i warzyw (oksydaza - o - difenolowa), mięknięcie kwaszonych ogórków (enzymy pektynolityczne), hydroliza tioglikozydów nasion rzepaku (tioglukozydaza)

Białka proste - w wyniku ich całkowitej hydrolizy powstają tylko aminokwasy lub ich pochodne, przyjmują postać globularną i fibrylarną

• Albuminy - mleko, jaja, nasiona zbóż; charakter zapasowy, składnik tkanek stałych

• Globuliny - dobrze rozpuszczalne w roztworach soli fizjologicznej, składnik mięśni (miozyna), mleka (laktoglobulina), ziemniaka - tuberyna, enzymy proteolityczne, lipazy

• Fibrynogen - występuje w osoczu krwi, białko włókienkowe

• Fibroina - głównie składnik naturalnego jedwabiu, zawiera głównie Gly i Ala

• Keratyny - dużo aminokwasów zasadowych i alfatycznych, słabo rozpuszczalne w typowych rozpuszczalnikach, odporne na hydrolizę, duży udział beta-harmonijki; keratyna występuje we włosach (wełna), rogach, piórach, paznokciach, kopytach, pazurach i łuskach rogowych - dużo cysteiny - do 12% (trwała ondulacja rozrywanie -S-S- i formowanie nowych, nienaturalnych wiązań disiarczkowych)

• Kolageny - zawierają dużo proliny (15%), hydroksyproliny (14%), alaniny (10%) i glicyny (27%), źle rozpuszczają się w zimnej wodzie, po zagotowaniu tworzą żelatynę.

• Elastyna - białko włókienkowe, składnik ścięgien, więzadeł i ścian naczyń krwionośnych

• Miozyna i aktyna - stanowią 30-40% tkanki mięśniowej, białka włókienkowe umożliwiają kurczenie się mięśni

• Histony - zawierają dużo aminokwasów zasadowych (Arg, Liz, His), są dobrze rozpuszczalne w wodzie, blokują i stabilizują cząsteczki DNA w komórkach eukariotycznych

• Prolaminy i gluteliny (składnik glutenu) występują w części bielma ziarniaków i są substancjami zapasowymi, zawierają mało Lys, a dużo Asp i Glu

Białka złożone - w wyniku ich hydrolizy powtają aminokwasy i inne niebiałkowe związki

• Chromoproteiny - zawierają substancję barwną, (hem - hemoproteiny) skompleksowaną z częścią białkową - hemoglobina - tertameryczne białko odpowiedzialne za transport tlenu we krwi, mioglobina - magazynuje tlen w mięśniach, cytochrom c - przenosi elektrony w łańcuchu oddechowym, katalaza - enzym rozkładający H2O2

• Fosfoproteiny - zawierają estrowo związaną grupę ortofosforanową (1-10% P) z resztami seryny lub/i treoniny, np. kazeina mleka, witelina, fosfityna żółtka jaja

• Glikoproteiny - zawierają kowalencyjnie związane oligosacharydy, np. glukoamylaza, pektyny, białka błony komórkowej, mucyna

• Nukleoproteiny - np. histony połączone głównie wiązaniami jonowymi z kwasami nukleinowymi, budują chromatynę jądrową i rybosomy, jak również wirusy

• Lipoproteiny - zawierają tłuszcze, kwasy tłuszczowe, fosfolipidy, steroidy, wchodzą w skład błon komórkowych, pełnią też funkcje transportujące lipidy w osoczu krwi

• Metaloproteiny - zawierają koordynacyjnie związane jony metali np. ferrytyna (magazynuje do 20% Fe), plastocyjanina zawiera jon Cu i uczestniczy w transporcie elektronów u autotrofów, proteazy cynkowe i anhydraza węglanowa (Zn)

Kazeina - fosfoproteina

• Zakwaszenie mleka do pH 4,5 powoduje w temperaturze pokojowej wytrącanie się wolnej kazeiny - proces odwracalny, po podniesieniu pH do około 6,7; do wytrącania kazeiny stosowany jest kwas cytrynowy lub siarczan amonu, naturalnie wytrąca się pod wpływem kwasu mlekowego - kwaśne mleko zawiera śladowe ilości laktozy, utlenianej do kwasu mlekowego przez bakterie. Kazeinę wytrąca się także podpuszczką, wtedy zawiera więcej wapnia, niż wytrącona kwasem, a w serwatce jest laktoza, ważne dla osób bez galaktozydazy

Podział białek wg wartości odżywczych

• Pełnowartościowe - zapewniają prawidłowy wzrost i rozwój organizmu, zawierają wszystkie AA egzogenne

• Częściowo pełnowartościowe - wystarczają do podtrzymania życia, ale nie zapewniają prawidłowego rozwoju i wzrostu; zawierają wszystkie AA egzogenne, ale przynajmniej 1 występuje w ilościach niewystarczających (białko zbóż - Lys, białko ryżu - Lys, Thr, kukurydza - Trp, Lys)

• Niepełnowartościowe - białka przyswajalne, ale nie wystarczają do podtrzymania życia; nie zawierają jednego lub więcej AA egzogennych: żelatyna (brak Trp, Cys, niedobór Met, Ile, Val, Tyr)

• Bezwartościowe - nieprzyswajalne: białko włosów, paznokci, rogów

Funkcjonalne cechy białek w żywności - oddziaływanie z wodą, jonami i innymi związkami organicznymi

• Zwilżanie, pęcznienie, rehydratacja, utrzymywanie wody, zwiększanie rozpuszczalności, (znaczenie: hydrofobowość białka, pH, stężenie soli)

• Właściwości żelujące, tworzenie ciast, włókien, błon, zmiana lepkości (białko najczęściej zawiera w swoim składzie poniżej 30% reszt AA hydrofobowych, masa cząsteczkowa 23-60 kDa - żelatyna, albumina osocza, niektóre białka z soi) żele stabilizowane są przez wiązania hydrofobowe, wodorowe, elektrostatyczne, mostki disiarczkowe

• Tworzenie i stabilizowanie emulsji, tworzenie piany (białko musi mieć hydrofobowe i hydrofilne właściwości, na tworzenie emulsji wpływa pH i stężenie soli)

Modyfikacje białek (właściwych reszt aminokwasowych)

• Acetylacja N-końca - odporność na degradację

• Hydroksylacja proliny - stabilizuje nowo zsyntetyzowany kolagen

• Karboksylacja glutaminianu w protrombinie, jej zakłócenie powstawanie krwotoków

• Glikolizacja poprzez resztę asparaginianową - zwiększa hydrofilność białek

• Przyłączanie reszty kwasu tłuszczowego do grupy alfa - aminowej lub tiolowej Cysteiny - zwiększa hydrofobowość białka

• Fosforylacja hydroksylowych grup Treoniny, Tyrozyny lub Seryny - mechanizm odwracalnej fosforylacji białek

• Proteoliza - enzymy trawienne, proces krzepnięcia krwi

Przemiany białek w trakcie przechowywania i przetwarzania żywności

Ogrzewanie

• Denaturacja cieplna (gotowanie, pasteryzacja, sterylizacja, pieczenie, smażenie)

• Zmiany enzymatyczne (często inaktywacja enzymów endogennych)

• Zmiany właściwości reologicznych i uwodnienia

• Zmiany barwy (pieczenie, sterylizacja - reakcja grup aminowych białek i aldehydowych sacharydów lub efekt utlenienia lipidów, zmiany chromoprotein mięśni i krwi, reakcje z H2S uwolnionym z AA siarkowych

• Powstawanie sieci - reakcja Maillarda oraz reakcja transaminacji

Efekt:

• Lepsze smak, barwa, zapach, często strawność i właściwości reologiczne

• Inaktywacja endogennych enzymów, inhibitorów, toksyn bakteryjnych

• Usieciowanie obniża podatność na proteolizę - trawienie

• Zmodyfikowane AA nie są trawione, szczególnie wrażliwe: Cysteina, Lizyna, Metionina, Tryptofan, Arginina, Leucyna

Enzymatyczna modyfikacja białek

• Enzymatyczna hydroliza białek (produkcja serów, dojrzewanie mięsa, wytwarzanie piwa, pieczywa - endogenne proteazy lub preparaty enzymów proteolitycznych - produkt: hydrolizaty i aminokwasy

• Wytwarzanie plastein - polipeptydy 3kDa o pożądanym składzie AA, stosuje się endopeptydazy, np. pepsynę, papainę i egzopeptydazy, np. pronazę lub dodatek do hydrolizatów białkowych określonych aminokwasów i reakcję transpeptydacji (pozbycie się Fenyloalaniny - dla chorych na fenyloketonurię)

Reakcje katalizowane prze transglutaminazę - transacylacja lub dezaminacja

Reakcja katalizowana przez transglutaminazę - przeniesienie acylu z grupy y - karboksyamidowej reszty glutaminy (donor) na akceptor (I-rzędową grupę aminową)

Akceptor: aminokwas - wzbogacenie białka o ten aminokwas,

Lizyna - sieciowanie białka

Woda - dezaminacja glutaminy

Zastosowanie: wspomaganie żelowania białek w farszach wędlinowych, galaretkach rybnych, produkcja jadalnych błon białkowych, przyłączanie reszt cukrowych, po wcześniejszej aminacji do reszt glutaminy białek roślinnych, wzbogacanie w niezbędne aminokwasy (Metionina, Lizyna)

FUNKCJE BIAŁEK

• Kataliza enzymatyczna - enzymy, np.: rybonukleaza A, lizozym, chymotrypsyna, karboksypeptydaza A

• Transport i magazynowanie - hemoglobina, transferyna, albuminy, kazeina, gliadyna, zeina, tuberyna

• Odpowiedzialne za uporządkowany ruch - składnik mięśni miozyna i aktyna

• Funkcje mechaniczno - strukturalne kolagen, białka fibrylarne, keratyny,

• Ochrona immunologiczna - swoiste przeciwciała, interferony, białka chroniące przed zamarzaniem

• Wytwarzanie i przekazywanie impulsów nerwowych - rodopsyna, białko receptorowe cAMP

• Kontrola wzrostu i różnicowania - hormony, białka represorowe

• Białka trujące - toksyna błonicy - blokuje syntezę białek na rybosomach

• Białka słodkie - taumatyna, monelina (2000x słodsza niż cukier), mogą zastąpić cukier w diecie

W oczyszczaniu wykorzystywane są

• Rozpuszczalność(precypitacja - wysalanie siarczanem amonowym)

• Masa cząsteczkowa (chromatografia na sicie molekularnym PAGD - SDS)

• Ładunek (chromatografia jonowymienna PAGE, ogniskowanie izoelektryczne)

• Specyficzność wiązania (chromatografie powinowactwa i hydrofobowe

Wykład 3 15.10.2008

Budowa, funkcjonowanie i znaczenie enzymów

Reakcje termodynamiczne - patrz wykład 1

ATP (WZÓR!!!) - umieć

ATP + H2O ADP + Pi

= -30,5 kJ/mol

AMP - adenozynomonofosforan

ADP - adenozynodifosforan

ATP - adenozynotrifosforan

1,3 - bifosfoglicerynian - metabolit pośredni w glikolizie

Fosfageny - związki bogate w energię guanidyno - fosforanowe

Fosforan kreatyny - występuje w tkance mięśniowej kręgowców

Fosfoarginina - występuje w tkance mięśniowej bezkręgowców

Inne związki bogate w energię:

• Tioestrowe (acylomerkaptany) np. acetylo-S-CoA

• UDP - Glc - urydynodifosforan D-glukozy

………..

Enzymy - biokatalizatory

• W większości białka (wyjątek cząsteczki RNA - rybozymy) cechuje je wysoka wydajność, specyficzność, zdolność do regulacji, tzn do zmiany aktywności w zależności od potrzeb organizmu

• Nie zmieniają stanu równowagi reakcji chemicznej

• Przyspieszają reakcje poprzez obniżenie energii aktywacji, np. reakcja katalizowana przez pewien enzym uzyskuje stan równowagi po 1s, bez enzymu trwałoby to 10^8s, czyli ok. 3 lata

Kinetyka reakcji enzymatycznych

Szybkość działania enzymu: mierzy się ubytkiem substratów lub przyrostem produktów w przeliczeniu na jednoskę czasu i ewentualnie objętość lub stężenie białka

Przykład: anhydraza węglanowa

CO2 + H2O H2CO3

• Zwiększa szybkość reakcji 10 milionów razy

• Jedna cząsteczka enzymu uwalnia 600000 cząsteczek CO2 w ciągu sekundy

Jednostki aktywności enzymów

• Międzynarodowa jednostka aktywności enzymu (IU) - ilość enzymu, która katalizuje przekształcenie 1 mikromola substratu w ciągu 1 minuty w 30st.C, w warunkach optymalnego pH, temperatury oraz stężeniu substratu wysycającym dla danego enzymu

• Katal - jednostka w układzie SI, ilość enzymu, która katalizuje przekształcenie 1 mola substratu w ciągu 1s w 30 st.C w warunkach optymalnego pH, temperatury oraz stężeniu substratu wysycającym dla danego enzymu. 1 IU = 16,67 nanokatali

• Aktywność całkowita - liczba jednostek enzymatycznych w preparacie

• Aktywność specyficzna - liczba jednostek enzymatycznych przypadająca na 1 mg białka jest to miara czystości enzymu, najwyższa po całkowitym oczyszczeniu enzymu

• Aktywność molekularna - liczba obrotów - liczba cząsteczek substratu przekształconych w ciągu 1 minuty prez 1 cząsteczkę enzymu (lub 1 miejsce aktywne) przy pełnym wysyceniu enzymu przez substrat

Miejsce aktywne enzymu

• Region, który wiąże substrat i przemienia go w produkt. Trójwymiarowa przestrzeń tworzona przez reszty aminokwasowe (aminokwasy kontaktowe) charakterystyczne reszty tych aminokwasów (grupy katalityczne np COOH, OH, SH, NH2), które mogą być w dużym oddaleniu od siebie w liniowej sekwencji aminokwasowej i bezpośrednio biorą udział w tworzeniu i zrywaniu wiązań z substratem

• Często jest to szczelina lub zagłębienie w cząsteczce enzymu o charakterze hydrofobowym - pomaga wypierać wodę, co ułatwia wiązanie się substratu i katalitycznemu przebiegowi reakcji, obecne są polarne grupy AA, są wtedy szczególnie reaktywne

• Miejsce aktywne zajmuje stosunkowo niewielką część całkowitej objętości cząsteczki enzymu, pozostała częśc enzymu tworzy miejsca regulatorowe, kanały dla substratów, miejsca oddziaływania z innymi białkami

Modele wyjaśniające wiązanie substratu

W wiązaniu substratów z enzymami bierze udział wiele słabych oddziaływań: elektrostatyczne, wiązania wodorowe, oddziaływania Van der Waalsa, oddziaływania hydrofobowe

Aby doszło do powstania kompleksu enzym - substrat (ES) muszą one posiadać komplementarne kształty

Fisher - model zamka i klucza

Koshland - model indukowanego dopasowania

Model Michealisa - Menten

E+S (k1, k-1) ES (k2) E+P

K1,K-1, K2 - stałe szybkości reakcji

E - enzym

S - substrat

P - produkt

ES - kompleks enzym-substrat

Równanie Michealisa - Menten

V₀ - szybkość reakcji

Vmax - wartość maksymalna szybkości reakcji

[S] - stężenie substratu

Km - stała Michealisa - stężenie substratu [S] (mol/dm3), przy którym V₀ = ½ Vmax, a połowa miejsc aktywnych na enzymie jest obsadzona; miara stabilności kompleksu ES

Modyfikacja Lineweaveara - Burke'a równania Michealisa - Menten = równanie wykresu podwójnych odwrotności

Zastosowanie:

• W doświadczalnym wyznaczaniu wartości Km i Vmax

• Określeniu typów inhibicji reakcji enzymatycznych

Odstępstwa od modelu Michealisa - Menten

Główne założenia teorii Michealisa - Menten

• Enzym katalizuje reakcję z udziałem 1 substratu, powstaje 1 produkt

S+E ES E+P

• Reakcja E+P ES nie zachodzi (lub zachodzi bardzo wolno)

• Wykres zależności V₀ od [S] jest hiperbolą

W rzeczywistości:

• Większość reakcji przebiega z udziałem więcej niż 1 substratu

• Enzymy allosteryczne (oligomeryczne) działają niezgodnie z kinetyką Michealisa - Menten, wykres zależności V₀ od [S] ma kształt sigmoidalny

Sposoby regulacji szybkości reakcji enzymatycznej

• Zmiany [S], [P] (1), [E] (2)

• Zmiany T (3), pH (4)

• Odwracalne modyfikacje kowalencyjne enzymów - fosforylacja

• Nieodwracalna modyfikacja kowalencyjna enzymów - proteoliza

• Zmiany szybkości syntezy białek enzymatycznych

• Zmiany szybkości degradacji enzymów

• Inhibitory i aktywatory

Regulacja allosteryczna i przez sprzężenie zwrotne

• Enzymy oligomeryczne, w budowie więcej niż 1 miejsce; regulacyjne i katalityczne

• Związanie substratu w jednym CA indukuje zmiany konformacji zwiększające powinowactwo innych CA do substratu (kooperatywność)

• Niewielka zmiana w stężeniu substratu istotnie zmienia aktywność enzymu

E: ATC-aza karbamoilotransferaza asparaginianowa (I etap biosyntezy pirymidyn)

asparaginian + karbamoilofosforan N-karbamoiloasparaginian + Pi [CTP hamuje, ATP aktywuje]

Hamowanie aktywności enzymów - inhibicja

Inhibitor - cząsteczka działająca na enzym, powoduje zmniejszenie jego szybkości katalitycznej; często są to metabolity, czasem ksenobiotyki (leki, toksyny)

Penicylina - antybiotyk, zakłóca powstawanie ściany komórkowej bakterii, jego działanie polega na łączeniu się z resztą seryny w centrum aktywnym transpeptydazy peptydoglikanu

Typy inhibicji

• Odwracalna

• Inhibitor wiąże się z enzymem szybko i odwracalnie

• Nieodwracalna

• Nie można jej przezwyciężyć, usuwając w prosty sposób (np. dializa) inhibitora z enzymu

• Inhibitor często wiąże się z enzymem wiązaniami kowalencyjnymi

Diizopropylofluorofosforan DIPF

Amid kwasu jodooctowego

Inhibicja odwracalna

-Inhibicja kompetycyjna - hamowanie współzawodnicze

• Inhibitor wiąże się w centrum aktywnym enzymu - współzawodniczy (konkuruje) z substratem o miejsce wiązania w cząsteczce enzymu

• Działanie inhibitora można znieść przez zwiększenie stężenia substratu

• Substrat i inhibitor są strukturalnie do siebie podobne

• Vmax reakcji nie jest zmieniona przez inhibitor kompetycyjny

• Wartość Km wzrasta pod wpływem inhibitora kompetycyjnego

Malonian jest podobny do bursztynianu

-Inhibicja niekompetycyjna

• Inhibitor wiąże się w innym miejscu enzymu, niż jego miejsce aktywne, powoduje zmianę przestrzennego kształtu enzymu

• Działanie inhibitora niekompetycyjnego nie można znieść przez zwiększenie stężenia substratu

• Enzym może związać albo inhibitor (EI), albo inhibitor i substrat (ESI)

• Vmax reakcji zmniejsza się

• Wartość Km nie zmienia się pod wpływem inhibitora niekompetycyjnego

Pepstatyna inhibitor reniny - enzymu proteolitycznego uczestniczącego w regulacji ciśnienia krwi

Izoenzymy - homologiczne enzymy w obrębie danego organizmu, które katalizują tę samą reakcję, różnią się sekwencją aminokwasową (kodowane przez geny z różnych loci) wartościami Km i Vmax właściwościami regulatorowymi, często ulegają ekspresji w róznych tkankach lub organellach lub w różnychstadiach rozwojowych

Umożliwiają zróżnicowaną regulację tej samej reakcji w różnym miejscu i czasie

LDH - dehydrogenaza mleczanowa - enzym oligomeryczny składa się z 4 podjednostek izozym H - ulega ekspresji głównie w sercu, izozym M - mięśnie, wątroba, H i M w 75%są identyczne pod względem skłądu AA

Różnice: duże stężenie pirogronianu hamuje H4, ale nie M4

Izoenzym H4 ma wyższe powinowactwo do mleczanu niż M4

Specyficzność enzymów

Wiele substratów / produktów wykorzystywanych przez enzym, np. chymotrypsyna katalizuje hydrolizę wiązań peptydowych położonych po karbonylowej stronie AA aromatycznych, trypsyna wiązania położone po karbonylowej stronie Lys lub Arg, pepsyna między AA aromatycznymi i AA dikarboksylowymi

Wobec typu katalizowanej reakcji np. reakcja hydrolizy (hydrolazy) lub przenoszenia elektronów (oksydoreduktazy)

Wobec kierunku działania - ten sam substrat, różne enzymy i produkty:

Kofaktory enzymów

Kofaktor - mała cząsteczka niezbędna do zajścia katalizy, nie będąca łańcuchem polipeptydowym i nie zużywająca się w czasie reakcji

• Jony metali np. Zn2+ dla karboksypeptydazy

• Pochodne witamin - związków organicznych (nazywane koenzymami), które często organizm nie jest w stanie syntetyzować. Ich brak w pożywieniu powoduje choroby z niedoboru

Koenzym związany kowalencyjnie z cząsteczką białka nazywany jest grupą prostetyczną (hem w hemoglobinie), całość tworzy holoenzym, część białkowa nazywana jest apoenzymem

Wybrane koenzymy oksydoreduktaz

-Koenzymy nikotynamidowe

• NAD+, NADH - dinukleotyd nikotynamidoadeninowy - forma utleniona/zredukowana

• NADP+/NADPH - fosforan dinukleotydu nikotynamidoadeninowego - forma utleniona/zredukowana

SH2 + NAD+ S + NADH

-Koenzymy flawinowe

• FAD/FADH2 - dinukleotyd flawinoadeninowy forma utleniona / zredukowana

• FMN/FMNH2 - mononukleotyd flawiny (fosforan ryboflawiny) forma utleniona/zredukowana

Międzynarodowa klasyfikacja enzymów

Klasa	Typ reakcji	Przykład enzymu
1. Oksydoreduktazy	Utlenianie/redukcja	Dehydrogenaza mleczanowa
2. Transferazy	Przenoszenie grup	Aminotransferaza asparaginianowa
3. Hydrolazy	Reakcje hydrolizy	Ureaza (EC 3.5.1.5)
4. Liazy	Utworzenia wiązań podwójnych poprzez dodanie lub usunięcie grup	Anhydraza węglanowa
5. Izomerazy	Izomeryzacja wewnątrzcząsteczkowa, przeniesienie grup	Izomeraza triozofosforanowa
6.Ligazy	Ligacja (połączenie) dwóch substratów na koszt hydrolizy ATP	Syntetaza glutaminianowa

Przykłady reakcji

1.Mleczan + NAD+ Pirogronian + NADH

2. Glutaminian + szczawiooctan asparaginian + 2-oksoglutaran

3. Mocznik + H2O CO2 + 2NH3

4. CO2 + H2O H2CO3

5. Fosfodihydroksyaceton (ketoza) Aldehyd 3-fosfoglicerynowy (aldoza)

6. Glutaminian + NH3 + ATP Glutamina + ADP + Pi

Wykład 4 22.10.2008

Znaczenie witamin i substancji mineralnych dla organizmów żywych

Definicja, podział:

Witaminy (Kazimierz Funk wyizolował pierwszy związek o charakterze aminy, konieczny do życia, zapobiegał on chorobie beri-beri; vita - życie - nazwał ten związek witamina)

Związki organiczne konieczne do prawidłowego przebiegu metabolizmu u zwierząt i człowieka, nie są syntetyzowane przez te organizmy w wystarczających ilościach lub wcale - dlatego muszą być dostarczane z pożywieniem

Większość witamin jest prekursorami koenzymów i kofaktorów, a ich niedobór prowadzi do zaburzeń w metabolizmie i w efekcie do chorób z niedoboru

Witaminy można podzielić na rozpuszczalne w:

Wodzie - witaminy C, B1,B2,B3,B5,B6,B12,H,kwas foliowy

Tłuszczach - witaminy A, E, D, K

KWAS ASKORBINOWY (witamina C)

Występowanie - surowe owoce i warzywa, np. owoce cytrusowe, truskawki (kwaśny smak)

Znaczenie -

• Wychwytywanie wolnych rodników - antyoksydant

• Udział w syntezie hydroksyproliny - składnika kolagenu

• W gojeniu się ran

• W prawidłowym wykształceniu zębów i kości

• Powszechnie stosowany jako dodatek do żywności

• Zapobiega brunatnieniu produktów

• Hamuje powstawanie nitrozoamin

Niedobór - szkorbut, zaćma

Witamina C może być syntetyzowana przez większość zwierząt. Jednak naczelne, świnka morska i niektóre gatunki nietoperzy utraciły tą zdolność

TIAMINA - witamina B1

Występowanie - kiełki pszenicy, otręby, drożdże piwne, melasa, mięso, ziarna zbóż

Znaczenie:

• Pirofosforan tiaminy pełni funkcje koenzymu w reakcjach dekarboksylacji, np. dekarboksylacja pirogronianu

• W transferze grupy aldehydowej np. aldehyd glikolowy, octowy

• Osoby z niedoborem witaminy B1 podatne są na atak komarów

Niedobór - beri - beri, zaburzenia w działaniu układu nerwowego i serca, często dieta bogata w węglowodany

RYBOFLAWINA (witamina B2)

Występowanie - mleko, mięso, ziarna zbóż, jaja, fotolabilna

Znaczenie - prekursor koenzymów: FAD, FMN, biorących udział w reakcjach oksydoredukcyjnych, np. w łańcuchu oddechowym

Nadmierne spożycie jest toksyczne

Niedobór - zapalenia skóry, chelioza, zapalenie śluzówki kącików jamy ustnej

NIACYNA witamina PP (B3)

Występowanie: chude mięso, wątroba, mięso ryb, jaja, drożdże piwne, palona kawa

Znaczenie:

• Prekursor koenzymów NAD+ i NADP+

• Może być wytwarzana z Trp z niską wydajnością (z 60 mg Trp - 1 mg niacyny)

• Podawana regularnie obniża poziom cholesterolu i trójglicerydów we krwi

Niedobór: pelagra = rumień lombardzki, biegunka, majaczenia

Kukurydza jest szczególnie uboga w niacynę

KWAS PANTOTENOWY (witamina B5)

Występowanie: wątroba, mięso, jaja, groch, ziarna zbóż, mleczko pszczele

Znaczenie:

• Składnik koenzymu A

• Koenzym A bierze udział w syntezie kwasów tłuszczowych (ACP - koenzym A) i w cyklu kwasu cytrynowego (acetylokoenzymA)

Ocet, ostra musztarda, soda oczyszczona, wysoka temperatura rozkładają witaminę B5 w żywności

Witamina B5 pozwala zachować dobrą kondycję i szczupłą sylwetkę

Niedobór: zapalenie i pęknięcia skóry, siwienie włosów, bóle w stawach, rozdrażnienie

WITAMINA B6

Występowanie: drożdże piwne, wątroba, ziarna zbóż, kapusta, mleko, mięso

Znaczenie:

• Składnik PAL

• Jako koenzym bierze udział w przemianach: aminokwasów (aminotransferazy, dekarboksylazy), glikogenu (fosforylaza glikogenowa)

• Udział w procesie syntezy niacyny z tryptofanu

• Kofaktor w syntezie GABA

Fotolabilna, duże ubytki podczas przeróbki mleka

Diety i kuracje odchudzające prowadzą często do znacznych niedoborów witaminy B6

Niedobór: zapalenie skóry, zmęczenie, rozdrażnienie, osłabienie mięśni, gościec

BIOTYNA (witamina H)

Występowanie: drożdże, wątroba, żółtko jaj, groch, kalafior

Znaczenie:

• Koenzym karboksylaz, dekarboksylaz oraz deaminaz (karboksylaza acetylo-CoA, karboksylaza pirogronianu)

• Jako koenzym bierze udział w biosyntezie kwasów tłuszczowych oraz glukoneogenezie

Występuje często w kompleksach z białkiem, połączona za pośrednictwem Lys

Produkowana jest przez bakterie w układzie pokarmowym

Awidyna (glikoproteina) - składnik surowych jaj, wiąże się silnie z biotyną i ogranicza znacznie jej wchłanianie

Niedobór: zmiany na skórze, łojotok, wypadanie włosów, bóle mięśniowe, apatia, halucynacje

KOBALMINA (witamina B12)

Występowanie: brak w roślinach (weganie!!), mięso, wątroba, nerki, mleko, ryby, fotolabilna

Znaczenie:

• Udział w izomeryzacji kwasów dikarboksylowych

• Udział w przekształcaniu rybonukleotydów w deoksyrybonukleotydy

• Przekształcenie homocysteiny w metioninę

Zawiera układ korynowy: 4 zredukowane pierścienie pirolowe z centralnie związanym kobaltem z dołączoną grupą -CH3, -CN, lub adenylową

Do przyswojenia kobalminy niezbędny jest powstający w śluzówce żołądka czynnik wewnątrzpochodny - glukoproteina z kwasem neuraminowym

Niedobór: anemia złośliwa

KWAS FOLIOWY

Występowanie: zielone części roślin, wątroba, drożdże, fotolabilny (opalanie), termolabilny

Znaczenie:

• Udział w biosyntezie kwasów nukleinowych

• Jako koenzym F (CoF) uczestniczy w przenoszeniu fragmentów jednowęglowych; formylu, aldehydu mrówkowego, hydroksymetylu

Zawiera: pochodną pterydynową, kwas p-aminobenzoesowy (PABA), kwas glutaminowy, występuje w wielu formach

Po raz pierwszy wyizolowany z liści szpinaku (folium - liść)

Niedobór: anemia - zaburzenie wytwarzania czerwonych krwinek, zahamowanie wzrostu

WITAMINA A

Występowanie: wątroba ryb, drożdże, masło, jaja, mleko, fotolabilna (UV)

Znaczenie:

• Udział w procesie widzenia

• Ochrona przed wolnymi rodnikami

Zbyt duże spożycie jest toksyczne!!!

Prekursorem jest KAROTEN, witamina A występuje w kilku formach, np. retinol, 3-dehydroretinol, łatwo ulega utlenieniu w obecności nadtlenków, metali itp.

Niedobór: kurza ślepota, suchość skóry, kruche paznokcie, zahamowanie wzrostu

WITAMINA D - kalcyferol

Występowanie: tran, wątroba, mleko, masło, jaja, fotolabilna (UV)

Znaczenie:

• Udział w gospodarce wapniowo - fosforanowej - ułatwia wchłanianie soli wapnia

• Hormon steroidowy

Może być syntetyzowana w skórze (UV) - D3 (czyli nie witamina) lub dostarczana z pożywieniem - D2 i D3

Niedobór: krzywica, osteomalacja - kości są miękkie i podatne na wyginanie

ALFA - TOKOFEROL (witamina E)

Występowanie: oleje roślinne, orzechy, sałata, szpinak, kapusta, masło, jaja, fotolabilna (UV), podatna na utlenienie

Znaczenie:

• Udział w prawidłowym funkcjonowaniu narządów rozrodczych

• Pełni rolę przeciwutleniacza w błonach komórkowych

Stosowana do stabilizacji tłuszczów w produktach żywnościowych - jełczenie masła, występuje w kilku formach

Niedobór: resorbcja płodu, atrofia jąder, zaburzenie w produkcji spermy, dystrofia mięśni, plamy starcze na skórze („kwiaty starości”)

WITAMINA K

Występowanie: K1 - produkty roślinne - tylko zielone części, ewentualnie oleje roślinne; K2 - tkanki zwierzęce, tran, fotolabilna (UV)

Znaczenie:

• Udział w procesie krzepnięcia krwi synteza protrombiny

• Udział w formowaniu tkanki kostnej

• Posiada właściwości przeciwbakteryjne, przeciwgrzybiczne, przeciwbólowe i przeciwzapalne

Syntetyzowana w jelitach przez bakterie

Niedobór: krwotoki - różne, zakłócenia w pracy jelit

ANTYWITAMINY

• Mają podobną budowę i właściwości do witamin

• Inaktywują witaminy

• Powodują powstawanie nieaktywnych enzymów

• Np.

• Sulfonilamid dla PABA (składnik kwasu foliowego)

• Kwas pirydyno-3-sulfonowy dla niacyny

• Kwas glikoaskorbinowy dla witaminy C

SUBSTANCJE MINERALNE

Pierwiastki, kationy i mikroelementy niezbędne dla prawidłowego funkcjonowania organizmów żywych

• Podstawowe składniki (99% masy większości komórek) organizmów żywych: C, H, N, O

• Inne mikroelementy występujące w organizmach żywych: P, S, Na+, Mg2+, Ca2+, Cl-, Mn, Fe, Co, Cu, Zn

• Mikroelementy występujące u niektórych organizmów: B, Al., V, Mo, I, Si

Ca - wapń

Funkcje szkieletowe u zwierząt (kości, zęby) i roślin, uczestniczy w reakcjach enzymatycznych jako kofaktor, pełni role cząsteczki sygnałowej. Wapń wiąże się z białkiem regulatorowym - kalmoduliną stymulując jej aktywność

P - fosfor

Podstawowy składnik kośćca oraz substancji zapasowych w postaci fitynianu u roślin, jony orto, di- i polifosforanowe wchodzą w skład kwasów nukleinowych, koenzymów, związków makroergicznych, fosfolipidów i wielu innych metabolitów

Mg - magnez

Jako kofaktor bierze udział w reakcjach z udziałem ATP, wchodzi w skład magnezoporfiryn budujących chlorofile, czyli uczestniczy w procesie fotosyntezy

Fe - żelazo

Składnik żelazoporfiryn, np. hemoglobiny, mioglobiny (transportują tlen), cytochromów i ferredoksyn (transportują elektrony), leghemoglobiny (uczestniczy w procesie wiązania azotu atmosferycznego), inne enzymy: peroksydazy, katalazy, dehydrogenazy flawinowe. W organizmach żelazo magazynowane jest głównie w ferrytynie

Na - sód, K - potas

Utrzymują stan właściwego uwodnienia organizmu, potas jest aktywatorem niektórych enzymów (kinaza pirogronianowa)

S - siarka

Wchodzi w skład 2 aminokwasów: metioniny i cysteiny oraz 2 witamin: biotyny i tiaminy. Funkcje siarki polegają w głównej mierze na budowaniu centrów aktywnych wielu enzymów (-SH - cysteina), siarka wchodzi w skład wielu białek strukturalnych stabilizując je poprzez mostki dwusiarczkowe (-S-S-), białka żelazowo - siarkowe przenoszą elektrony

Mn - mangan, Zn - cynk, Cu - miedź, Mo - molibden, Co - kobalt OGÓLNIE

Jony metali w dużych stężeniach powodują denaturację białka, z kolei w małych aktywują pewną grupę białek, często również stabilizują strukturę aktywną białek, są składnikami centrów katalitycznych. tworzą kompleksy metal - substrat (kinaza keratyny), które następnie atakowane są przez enzymy, metale mogą uczestniczyć przy przyłączeniu koenzymu do apoenzymu lub substratu do centrum aktywnego enzymów

F - fluor, I - jod, Cl - chlor

Fluor jest składnikiem szkieletu zwłaszcza uzębienia, jod wchodzi w skład hormonów, chlor składnik soku żołądkowego

WYKŁAD 5 29.10.2008

Barwniki, karotenoidy i glikozydy, naturalne dodatki do żywności

BARWNIKI

• Stosowane do barwienia żywności, pochodzenia roślinnego: curry, szafran, papryka (często aby ukryć wady, zwiększyć atrakcyjność i apetyczność)

• Jedyny barwnik pochodzenia zwierzęcego: koszenila, kwas karminowy

Barwniki chinoidowe - koszenila, czerwony barwnik, otrzymywany z pluskwiaków meksykańskich, dobrze rozpuszcza się w wodzie i jest dość trwały

Karotenoidy

Barwniki karotenoidowe: annatto, preparaty z papryki i szafranu

Grupa organicznych związków chemicznych, węglowodory nienasycone o szczególnej budowie, charakterystyczną cechą karotenoidów jest występowanie dwóch pierścieni cykloheksylowych połączonych długim łańcuchem węglowym, w którym występuje układ sprzężonych wiązań podwójnych węgiel-węgiel

Występują one we wszystkich fotosyntetyzujących tkankach (rośliny wyższe, glony, sinice, bakterie fotosyntetyzujące) oraz w płatkach roślin, pyłku, korzeniach, nasionach, owocach a także w żółtku jaja, w maśle, w piórach ptaków, łuskach ryb. Jak dotąd zidentyfikowano i opisano około 800 karotenoidów np.

• Alfa-, beta-karoten (marchew)

• Kryptoksantyna (pomarańcza),

• Luteina (liście),

• Likopen (pomidor),

• Zeaksantyna (kukurydza),

• Astaksantyna (pancerze skorupiaków w postaci estrów z kwasami tłuszczowymi)

Właściwości karotenoidów:

• Nie rozpuszczają się w wodzie

• Są fotolabilne - ulegają izomeryzacji w obecności światła - tracąc właściwości biologiczne i barwę

• Karotenoidy są podatne także na utlenienie i nie odporne na działanie kwasów

Rola karotenoidów

• Chronią fotosystem przed uszkodzeniem (fotooksydacją), spowodowane może to być nadmiarem docierającej energii świetlnej, pochłaniają promieniowanie z zakresu widma niebieskiego i fioletowego

• Nadają barwę roślinom, ich organom itp.

• Prekursory witamin, karotenoidy przemieniają się w witaminy rozpuszczalne w tłuszczach, np. wit. A (pochodna b-karotenu)

• Pochodna beta-karotenu jest prekursorem neoretinalu, który po połączeniu z białkiem opsyną tworzy rodopsynę - białko reagujące na bodźce świetlne w oku

Barwniki flawonoidowe

Np. antocyjany (często są to glikozydy: część cukrowa - często glukoza i pochodna kationu flawyliowego) pochodzą z wytłoków winogron, żurawin, czarnych porzeczek i czarnego bzu - barwniki o kolorze czerwonym, fioletowym lub niebieskim

Główne barwniki kwiatów i owoców, często mają gorzki i piekący smak - pokarmowe repelenty

Barwa antocyjanów zależy od pH środowiska, w pH poniżej 7 są one czerwone, a w pH powyżej 7 mają barwę niebieską lub fioletową

W kompleksie z jonami glinu lub żelaza III, to mimo kwaśnego odczynu środowiska, również mają barwę niebieską (np. w kwiatach chabra bławatka)

Betalainy - otrzymywane z buraka ćwikłowego, kwiaty i nasiona niektórych odmian Amarantusa i owoce niektórych gatunków kaktusów, należą do alkaloidów

Obecność betalain wyklucza obecność antocyjanów i odwrotnie

Betanina - dobrze rozpuszcza się w wodzie, trwała w zakresie pH 3,5 - 7,0, wrażliwa na podwyższoną temperaturę i światło

Stosowana np. do „poprawienia” koloru wina

Kurkuma, czyli żółta kurkumina - wytwarzana przez rośliny rodzaju Curcuma

Karmel - zaliczany do barwników naturalnych, mimo, że w naturze nie występuje

Ryboflawina - witamina B2 - wrażliwa na światło, żółty kolor występuje głównie w nasionach,

mleku i mięsie

Barwniki pirolowe, układ pirolowy w formie łańcuchowej lub pierścieniowej

• Porfiryny - barwniki pirolowe pierścieniowe (hem, chlorofil)

• Bilirubinoidy - barwniki pirolowe łańcuchowe (bilany - produkty katabolizmu porfiryn: bilirubina - główny barwnik żółci, fotochromy (fikobiliny): fikocyjanina i fikoerytryna - barwniki asymilacyjne)

Barwniki porfirynowe

Chlorofil - barwnik absorbujący światło w procesie fotosyntezy, tetrapirolowa budowa z atomem magnezu, jako centralnego jonu metalu, dodatkowo fitol to 20węglowy alkohol o silnie hydrofobowym charakterze, pozwala na zakotwiczenie chlorofilu w błonie aktywnej fotosyntetycznie; chlorofil rozkłada się w podwyższonej temperaturze i pod wpływem kwasów - powstaje oliwkowozielona feofityna - Mg zastępowany jest przez 2 atomy wodoru; Po oderwaniu fitolu i wymianie Mg brunatny feoforbid

Hem - budowa podobna do chlorofilu, w centrum znajduje się atom żelaza, stanowi grupę prostetyczną hemoglobiny - białka przenoszącego tlen we krwi oraz mioglobiny - białka magazynującego tlen w mięśniach

W methemoglobinie (metmioglobinie) żelazo ma +3 stopień utlenienia i przyłączoną grupę OH do wiązania koordynacyjnego, nie może przyłączyć O2 i ma barwę brunatnoszarą, sprzyja temu denaturacja białka - uwalniany jest wtedy hem, który może łatwo się utleniać, aby temu zapobiec stosuje się peklowanie mięsa

Budowa hemu typu a występuje w cytochromie a i w chlorofilach (w chlorofilach zamiast Fe jest Mg), charakterystyczne jest występowanie hydrofobowego łańcucha (fitol - chlorofile), grupy aldehydowej zamiast metylowej

Budowa hemu typu b występuje w hemoglobinie, związany z globiną wiązaniem koordynacyjnym z resztą histydyny poprzez Fe

Budowa hemu typu c występuje w cytochromie c, charakterystyczne tu jest związanie hemu poprzez resztę cysteiny hemu z apoenzymem wiązaniem kowalencyjnym

Rozkład hemu do bilirubiny:

-W pierwszym etapie powstaje CO i uwolniony jest jon Fe3+ - jedyna reakcja w organizmie człowieka, w której efekcie powstaje czad

-Biliwerdyna jest zielonkawa - nadaje zabarwienie sińcom urazy powodują obumieranie erytrocytów i rozpad hemoglobiny

-Bilirubina niepolarny związek, źle rozpuszczający się w wodzie, ma kolor czerwonobrunatny i tworzy kompleksy z albuminą we krwi

-Kompleksy bilirubiny z albuminą wychwytywane są przez komórki wątroby

-W wątrobie do bilirubiny przyłączane są 2 cząsteczki kwasu glukuronowego pochodzące z UDP - glukuronanu; w efekcie powstaje diglukuronid bilirubiny - lepiej rozpuszczalny w wodzie; związek ten przedostaje się do jelita i jest wydalany z żółcią z organizmu - przyczyniając się do powstania charakterystycznego zabarwienia kału

Żółtaczka - nadmierne nagromadzenie się barwników żółciowych, często u wcześniaków: aktywności enzymów wytwarzających diglukuronid bilirubiny są niskie, w życiu płodowym odpowiada za to organizm matki

TERPENY

Związki lipidowe składające się z wielokrotności 5C węglowodoru - izoprenu (2-metylo-1,3-butadienu). Związki te mają strukuturę liniową lub cykliczną. Wiele terpenów nadaje roślinom charakterystyczny zapach lub smak i stanowi główne składniki otrzymywanych z nich „olejków eterycznych”

Przykłady:

Geraniol (olejek z pelargonii)

Limonen (olejek z cytryny)

Mentol (olejek miętowy)

Karwon (olejek kminkowy)

Fitol (składnik chlorofilu)

Kauczuk naturalny (politerpen - składa się z wielu tysięcy jednostek izoprenowych)

GLIKOZYDY - połączenia cukrów, najczęściej glukozy z alkoholami lub fenolami (aglikon)

Gorzki smak lub specyficzny aromat, barwniki (flawinowe) przykłady:

Amigdalina (nadaje smak migdałom, występuje też w pestkach innych owoców) składa się z gencjobiozy - disacharydu, kwasu cyjanowodorowego i aldehydu benzoesowego

Synigryna (występuje w czarnej gorczycy, chrzanie) posiada właściwości bakteriostatyczne

Rutozyd (substancja aktywna Rutinoscorbinu, występuje np. w kwiatach czarnego bzu) - część cukrowa składa się z disacharydu rutynozy: glukoza + ramnoza; część niecukrowa: kwercetyna, antyoksydant, składnik wielu leków

ALKALOIDY - związki organiczne o charakterze zasadowym, najczęściej z heterocyklicznym pierścieniem z N

Nikotyna - silna trucizna

Chinina - lek przeciw malarii, w większych dawkach trująca

Morfina - główny alkaloid opium - mlecznego soku z maku, w małych dawkach środek uspokajający, w większych narkotyk, w medycynie stosowana jako środek przeciwbólowy

Kodeina - składnik opium, lek na kaszel

KWASY ORGANICZNE - metabolity pośrednie, regulacja pH w komórce

Występują w stanie wolnym lub jako sole wapniowe, potasowe, w postaci estrów (olejki eteryczne)

• Alifatyczne jednokarboksylowe: octowy (owoce, nasiona przenicy, kukurydzy, powstaje podczas fermentacji octowej, stosowany np. do produkcji marynat), masłowy (występuje w postaci estrów; ester metylenowy - zapach jabłek, etylowy - ananasów), pirogronowy (końcowy produkt glikolizy, substrat w wielu fermentacjach), mlekowy (produkt fermentacji mlekowej - kiszenie ogórków, mleczarstwo)

• Alifatyczne wielokarboksylowe: bursztynowy (występuje w owocach - wiśnia, agrest, porzeczka, winogrona), szczawiooctowy i ketoglutarowy (ważne metabolity pośrednie), 1-jabłkowy (owoce, nasiona - stosowany w cukiernictwie i w napojach orzeźwiających), winowy (winogrona, sól potasowa do proszków do pieczenia, napojów orzeźwiających), cytrynowy (cytrusy, porzeczki, maliny, powszechnie stosowany w przemyśle spożywczym, produkowany przez Aspergillus)

• Kwasy aromatyczne: benzoesowy, salicylowy, cynamonowy, kumarowy, gallusowy, kawowy, kofeinowy (występują jako estry, składniki olejków eterycznych, alkaloidów i glikozydów)

DODATKI DO ŻYWNOŚCI

Kategorie dodatków do żywności

Zapobiegające zepsuciu (np. konserwanty, kwasy, przeciwutleniacze)

Sensoryczne (barwniki, słodzące, wzmacniające smak i zapach)

Teksturotwórcze (skrobie modyfikowane, zagęstniki, żelujące, emulgatory itp.)

Pomocnicze (np. enzymy, pianotwórcze, przeciwpieniące, rozpuszczalniki)

Klasyfikacja substancji dodatkowych

• Naturalne substancje dodatkowe

Substancje chemiczne zdefiniowane, nie przewidziane do spożycia w odpowiednich dawkach. Otrzymywane procesami fizycznymi, mikrobiologicznymi lub enzymatycznymi z artykułów spożywczych lub materiałów pochodzenia roślinnego, zwierzęcego, albo otrzymywane w czasie przetwórstwa żywności. Zalicza się tu sole naturalnych substancji smakowo - zapachowych z anionami Cl, SO4, CO3

• Syntetyczne substancje dodatkowe

Syntetyczne substancje (aromatyczne) otrzymywane na drodze syntezy chemicznej i nie posiadające identycznych odpowiedników substancji naturalnych występujących w produktach pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego

• Identyczne z naturalnymi substancje dodatkowe

Substancje otrzymywane przez chemiczną syntezę lub wyodrębnienie przy stosowaniu procedur chemicznych, pod względem chemicznym są one identyczne z substancjami występującymi w produktach pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego

Po co zastępować naturę?

Wanilina - związek zapachowy

Kilogram naturalnej waniliny wyekstrahowany z owoców wanilii (Vanila plantifolia) kosztuje ok. 4 tys USD, kilogram syntetycznej (identycznej z naturalną) waniliny kilkanaście USD

SUBSTANCJE SŁODZĄCE

Białka:

• Taumatyna i monelina - ok. 2000x słodsze niż sacharoza, wrażliwe na wysoką temperaturę, monelina jest właściwie polipeptydem: składa się z 2 łańcuchów w sumie z 94 reszt aminokwasów)

Sacharydy:

• Laktitol - alkohol cukrowy, produkowany z laktozy - 40% słodkości w stosunku do sacharozy, GI = 4 (indeks glikemiczny = 4, czyli wchłania się słabiej niż glukoza), przyjazny dla zębów

• Fruktoza - cukier owocowy, słodsza od cukru o około 50-60%, wolniej się wchłania niż glukoza, czy sacharoza (niższy indeks glikemiczny - GI = 19)

• Litesse - polidekstroza - polimer glukozy, przyjazna dla zębów, niski GI = 7

MELAMINA

Melamina i kwas cyjanurowy są bogate w N, dodawana do żywności (paszy) zwiększa ilość „białka” np. w mleku w proszku

Inne źródło - pestycyd cyromazyna (stosowana w chlewniach, kurnikach do zwalczania much) może odkładać się w roślinach jako melamina i w ten sposób trafiać do układu pokarmowego człowieka

Addukt melaminy z kwasem cyjanurowym tworzy kryształki, które mogą odkładać się w nerkach np. dzieci

AMINOKWASY

• L-Karnityna - syntetyzowana z lizyny w nerkach, wątrobie i mózgu, działa „odchudzająco” poprzez wpływ na tempo spalania tłuszczu, pełni funkcję przenośnika kwasów tłuszczowych do wnętrza mitochondriów, dużo L-karnityny znajduje się w mięsie, ważny element diety sportowców

• Tauryna - wytwarzana z cysteiny, przy współudziale wit B6, aminokwas sulfonowy, działa wzmacniająco na serce, układ krążenia oraz nerwowy, stosowany w rehabilitacji po atakach serca, w leczeniu padaczki i innych pobudliwości nerwowych, posiada właściwości przeciwutleniające i odtruwające, znajduje się w mięsie wołowym, baranim i w rybach

NOBEL 2008 z chemii

• Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii otrzymali trzej amerykańscy naukowcy - Osamu Shimomura, Martin Chalfie i Roger Tsien pracujący na amerykańskich uczelniach. Komitet Noblowski przy Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk wyróżnił ich za odkrycie i rozwój zielonego białka fluorescencyjnego GFP (green fluorescent protein) - jednego z podstawowych narzędzi biologii molekularnej. GFP wytwarzane jest przez meduzę Aequorea victoria, składa się z 238 aminokwasów i świeci intensywnie na zielono pod wpływem ultrafioletu

WYKŁAD 7 12.11.2008

Charakterystyka, klasyfikacja i budowa lipidów

Podział lipidów (tłuszczowców)

Lipidy proste

• Tłuszcze właściwe - estry kwasów tłuszczowych z glicerolem (triacyloglicerole)

• Woski - estry kwasów tłuszczowych z wyższymi alkoholami

• Woski prawdziwe

• Estry cholesterolu

• Estry witaminy A i estry witaminy D

Lipidy złożone

• Fosfolipidy - zawierają ortofosforan (lecytyny, kefaliny, sfingomieliny)

• Cerebrozydy - glikolipidy - zawierają węglowodany, występują w mózgu

• Sulfolipidy - zawierają siarkę

Pochodne lipidów

Sterydy i steroidy

Kwasy tłuszczowe

Wyższe alkohole i inne związki organiczne (np. lipoproteiny)

Znaczenie lipidów

Lipidy generalnie słabo lub wcale rozpuszczają się w wodzie, dobrze natomiast rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych

• Składnik membran komórkowych - rola budulcowa

• Magazynują energię, głównie w postaci triacylogliceroli - rola zapasowa

• Niektóre pochodne lipidów pełnią rolę hormonów i witamin - rola regulacyjna

• U zwierząt lipidy stanowią formę transportową surowców energetycznych

• Podskórna tkanka tłuszczowa u kręgowców pełni funkcję termoizolacyjną

• Kwasy żółciowe są naturalnymi detergentami - ułatwiają trawienie tłuszczów w przewodzie pokarmowym

• Woski tworzą warstwę ochronną na skórze, włosach, piórach, a także na liściach - zapobiega to utracie wody przez rośliny

TŁUSZCZE WŁAŚCIWE

Tłuszcze właściwe (estry glicerolu - 3 grupy OH): występują głównie w postaci triacylogliceroli, nie rozpuszczają się w wodzie, gromadzą się w komórkach tłuszczowych (zwierzęta), nasionach, owocach (rośliny)

Właściwości fizyczne (stan skupienia) zależą od długości reszt acylowych i ilości wiązań podwójnych

• Tłuszcze zwierzęce mają najczęściej konsystencję stałą, a roślinne ciekłą

• Pod wpływem ogrzewania z kwasami i zasadami tłuszcze proste ulegają hydrolizie (za hydrolizę enzymatyczną triacylogliceroli odpowiada lipaza trzustkowa), następnie uwolnione kwasy tłuszczowe poddawane są procesowi beta-oksydacji, czemu towarzyszy powstawanie energii

Kwasy tłuszczowe

• Podstawowy składnik triacylogliceroli i lipidów tworzących membrany komórkowe

• Najczęściej posiadają parzystą liczbę C, cechy fizyczne (lotność, punkt topnienia, rozpuszczalność w wodzie) zależą od długości łańcucha i przekładają się na właściwości tłuszczy, które budują

• Niektóre kwasy tłuszczowe o 2 i 3 wiązaniach podwójnych (kwas linolowy, linolenowy i arachidowy) są niezbędnymi składnikami diety ludzi i zwierząt (NNKT lub EFA), a ich brak powoduje występowanie objawów chorobowych

• Dzielą się na nasycone i nienasycone (co najmniej 1 wiązanie podwójne - izomeria cis/trans)

Modyfikacje kwasów tłuszczowych

Naturalnie występujące nienasycone kwasy tłuszczowe występują głównie jako izomery cis. Przetwarzanie żywności (np. w wysokiej temperaturze) powoduje izomeryzację trans. Duże spożycie izomerów trans grozi nowotworami i chorobami serca.

Uwodorowanie tłuszczy (utwardzanie) - zapobiega np. jełczeniu, ale powoduje także zmianę konformacji kwasów tłuszczowych

Nasycone kwasy tłuszczowe

Kwas	Liczba at. C	Wzór	Temperatura topnienia C
Masłowy	4	CH3(CH2)2COOH	-4,7
Kapronowy	6	CH3(CH2)4COOH	-1,5
Kaprylowy	8	CH3(CH2)6COOH	16,5
Kaprynowy	10	CH3(CH2)8COOH	31,3
Laurynowy	12	CH3(CH2)10COOH	44
Mirystynowy	14	CH3(CH2)12COOH	58
Palmitynowy	16	CH3(CH2)14COOH	63
Stearynowy	18	CH3(CH2)16COOH	70
Arachinowy	20	CH3(CH2)18COOH	76
Behenowy	22	CH3(CH2)20COOH	82

Nienasycone kwasy tłuszczowe

Palmitooleinowy	16	CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7COOH	-1
Oleinowy	18	CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH	14,5
Linolowy	18	CH3(CH2)4(CH=CHCH2)2(CH2)6COOH	Ciekły
Linolenowy	18	CH3CH2(CH=CHCH2)3(CH2)6COOH	Ciekły
Arachidonowy	20	CH3(CH2)4(CH=CHCH2)4(CH2)2COOH	Ciekły

Kwas oleinowy (C9-C10) najbardziej rozpowszechniony w przyrodzie, najwięcej jest go w oleju lnianym, migdałowym i sezamowym

Kwas linolowy (C9-C10 i C12-C13) występuje w oleju rzepakowym, lnianym i tłuszczach zwierzęcych

Kwas linolenowy (C9-C10, C12-C13, C15-C16) występuje głównie w tłuszczach roślinnych

Kwasy omega 3, omega 6 i omega 9

• Omega 6 (n-6) - zawierają przynajmniej 2 wiązania podwójne, jedno przy węglu 6 - licząc od grupy metylowej (kwasy linolowy, arachidonowy)

• Omega 3 (n-3) - zawierają przynajmniej 2 wiązania podwójne, jedno przy węglu 3 - licząc od grupy metylowej (kwas alfa-linolenowy)

• Omega 9 (n-9) - zawierają przynajmniej 2 wiązania podwójne, jedno przy węglu 9 - licząc od grupy metylowej (kwas oleinowy)

Tylko kwasy omega 6 i omega 3 należą do grupy niezbędnych nienasyconych kwasów tłuszczowych (NNKT)

Niedobór: nadmierne łuszczenie się naskórka, utrudniona regeneracja tkanek, zwiększona utrata wody, dolegliwości układu krążenia, obniżona odporność na infekcje, niedorozwój płodu, zaburzenia w wydzielaniu insuliny

Kwasy linolowy i alfa-linolenowy, zwane podstawowymi NNKT, nie są syntetyzowane przez człowieka i zwierzęta

Kwas arachidonowy syntetyzowany jest wyłącznie przez zwierzęta z prekursorów

WOSKI

Woski (estry wyższych alkoholi (min 1 grupa OH): nie rozpuszczają się w wodzie, występują u roślin (pokrywają liście, łodygi, pnie, owoce) i zwierząt (gruczoły łojowe w skórze), chronią przed nasiąkaniem wody, wysychaniem oraz działaniem chemicznym i mikrobiologicznym

• Olbrot - wosk z kości czaszkowych wieloryba

• Wosk pszczeli

• Lanolina - forma wosku cholesterolowego wydzielanego przez skórę ssaków

• Wosk karnaubski - występuje na powierzchni liści palmy, np. stosowany wraz z lanoliną do wyrobu past do butów

• Kutyna (składnik kutykuli - zabezpiecza rośliny przed nadmiernym parowaniem) i suberyna (składnik korka u roślin) - zabezpiecza rośliny przed nadmiernym parowaniem, infekcjami mikrobiologicznymi i urazami mechanicznymi

Kondycjonowanie bulw ziemniaków - przetrzymywanie po zbiorze w wyższych temperaturach, ma na celu wytworzenie warstwy korkowej

TŁUSZCZE ZŁOŻONE

• Fosfolipidy - składają się z glicerolu, kwasów tłuszczowych, ortofosforanu i reszty:

• Zawierającej azot (lecytyna, kefalina)

• Nie zawierającej azotu (3-fosfatydyloinozytol)

• Sfingolipidy składają się z sfingozyny zamiast glicerolu, kwasów tłuszczowych, ortofosforanu i reszty zawierającej azot

• Glikolipidy/cerebrozydy składają się z glicerolu, kwasów tłuszczowych i reszty cukrowej

• Sulfolipidy - zawierają siarkę

Fosfolipidy zawierające AZOT

Składają się z glicerolu, kwasów tłuszczowych, ortofosforanu i reszty zawierającej azot, np. choliny, kolaminy, seryny

Lecytyna: składnik zewnętrznej membrany komórkowej u roślin i zwierząt, najczęściej zawiera kwas tłuszczowy nasycony i nienasycony. Pi przy skrajnym węglu: alfa, przy środkowym: beta

Lecytyny stosuje się przy produkcji czekolady, margaryny oraz jako antyutleniacze chroniące tłuszcz przed jełczeniem

Z wodą tworzą roztwory koloidalne

Sfingolipidy - składają się ze sfingozyny - pochodnej glicerolu; jeżeli nastąpi N-acylacja grupy aminowej sfingozyny powstaje ceramid

Sfingolipidy dominują w tkance nerwowej

Po przyłączeniu do ceramidu fosfocholiny powstaje sfingomielina

Inne sfingolipidy: cerebrozydy (zawierają galaktozę), sulfatydy (zawierają estry kwasu siarkowego), globozydy (zawierają 2 lub więcej cukrów), gangliozydy (podobne do globozydów, zawierają kwas sialowy)

Glikolipidy

-Celebrozyna - występuje w mózgu, podawana razem z innymi preparatami w leczeniu choroby Alzheimera

-Gangliozydy - zawierają galaktozę i występują w zwojach nerwowych

Sulfolipidy - znaleziono w grzybach, algach, bakteriach, chloroplastach, u niektórych ssaków, występują w formie anionowej w skrajnie kwaśnym środowisku ph=2

Naturalnie występujący w cyjanobakteriach sulfolipid wykazujący właściwości zapobiegające rozwojowi wirusa HIV - inhibitor AIDS

SQDG - występuje w tylakoidach chloroplastów roślin wyższych i niższych; glicerol, 2 reszty acylowe, galaktoza z estrowo zwiazaną resztą sulfonową

POCHODNE LIPIDÓW

Sterydy i sterole

Lipidy pierścieniowe - steroidy:

• Cholesterol

• Hormony steroidowe

• Sole (kwasów) żółciowych (umożliwiają emulgację lipidów włącznie z witaminami rozpuszczalnymi w tłuszczach)

Cholesterol

-Składnik błon komórkowych (ok. 90%), prekursor hormonów steroidowych, witaminy D i soli kwasów -żółciowych

-Synteza cholesterolu odbywa się w wątrobie

-Znajduje się wyłącznie w produktach pochodzenia zwierzęcego

-Nadmiar w diecie prowadzi do miażdżycy

Klasy hormonów steroidowych

Klasa	Miejsce syntezy	Hormon	Działanie
Progestageny	Ciałko żółte	Progesteron	Przygotowuje podłoże macicy do implantacji jaja, podtrzymanie ciąży
Androgeny	Jądra	Testosteron	Rozwój drugorzędowych męskich cech płciowych
Estrogeny	Jajnik	Estron	Rozwój drugorzędowych żeńskich cech płciowych
Glukokortykoidy	Kora nadnercza	Kortyzon	Pobudza glukoneogenezę i tworzenie glukogenu; zwiększa rozkład tłuszczu i białka
Mineralokortykoidy	Kora nadnercza	Aldosteron	Zwiększa resorpcję Na+ i wydzielanie K+ i H+ przez kanaliki nerkowe

Lipoproteiny

Transportują tłuszcz w układzie krwionośnym i limfatycznym

• Chylomikrony, syntetyzowane z triacylogliceroli wchłanianych w jelicie; transportują tłuszcz z jelita do narządów obwodowych; nie wykazują ruchliwości elektroforetycznej

• Lipoproteiny o bardzo małej gęstości (VLDL) (z ang very low density lipoproteins), pre-beta-lipoproteiny, pochodzą z wątroby; transportują tłuszcz z wątroby do tkanki tłuszczowej

• Lipoproteiny o małej gęstości, LDL (z ang low density lipoproteins), beta-lipoproteiny, produkty końcowe katabolizmu VLDL; transportują cholesterol z wątroby do tkanek pozawątrobowych

• Lipoproteiny o dużej gęstości, HDL (z ang high density lipoproteins), alfa-lipoproteiny, biorą udział w metabolizmie VLDL, chylomikronów i cholesterolu; transportują cholesterol z tkanek pozawątrobowych do wątroby

Znaczenie kwasów tłuszczowych w diecie

• Dostarczają NNKT

• W skondensowanej formie energii

• Kwasy nasycone głównie produkty zwierzęce

• Kwasy nienasycone: oleje roślinne, nasiona, ryby

• Dostarczają rozpuszczalne w tłuszczach witaminy

• Dostarczają wiele prekursorów do syntez związków organicznych

• Stymulują apetyt i dają uczucie sytości

Substytut tłuszczy w diecie

Olestra - nie jest trawiona w układzie pokarmowym (nie dostarcza kalorii - nie jest wchłaniana), a nadaje pożywieniu cech, jakich dałby obecny w nich tłuszcz (dodawana np. do chipsów), odporna jest na wysoką temperaturę

Składa się z 6-8 reszt kwasów tłuszczowych oraz związanej z nimi wiązaniami estrowymi przez grupy OH cząsteczki sacharozy

WYKŁAD 8 19.11.2008

Kwasy nukleinowe: budowa i właściwości

Ekspresja genów:

DNA (replikacja)(transkrypcja) mRNA (translacja) Polipeptyd (białko)

Kwasy nukleinowe

Naturalne, liniowe polimery nukleotydów, służące do przechowywania, przekazywania i ekspresji informacji genetycznej, składają się z zasady azotowej (wzory umieć), cukru pentozy oraz kwasu fosforowego

• DNA - kwas deoksyrybonukleinowy

Zapisana informacja, która determinuje strukturę białek, zakodowane informacje dotyczące wzrostu i podziału komórek, występuje powszechnie w eukariota i prokariota, bardziej odporny na hydrolizę niż RNA

• RNA - kwas rybonukleinowy - przenosi informacje z DNA do pozostałych komórek, występuje jako jedyny nośnik informacji genetycznej w niektórych wirusach (HIV 1, wirus mozaiki tytoniowej)

Zasada azotowa (umieć wzory)

Pentoza (umieć wzory)

• Ryboza (występuje w RNA)

• Deoksyryboza (występuje w DNA, grupa 2' OH rybozy zastąpiona przez H)

Nukleozydy - połączenie przez C1 cukru z zasadą azotową poprzez atom N - (N1 dla pirymidyn i N9 dla puryn), występujące wiązanie nazywa się N-glikozydowe;

Rybonukleozydy - RNA

Deoksyrybonukleozydy - DNA

Adenozyna - rybonukleozyd

Deoksyadenozyna - deoksyrybonukleozyd - purynowy

Tymidyna - deoksyrybonukleozyd - pirymidynowy

Nukleozydy w DNA

Zasada	Cukier	Nukleozyd
Adenina (A)	Deoksyryboza	Deoksyadenozyna
Guanina (G)	Deoksyryboza	Deoksyguanozyna
Cytozyna (C)	Deoksyryboza	Deoksycytydyna
Tymina (T)	Deoksyryboza	Tymidyna

Dla tymidyny nie trzeba pisać przedrostka „deoksy”, ponieważ tymina występuje tylko w DNA

Nukleozydy w RNA

Zasada	Cukier	Nukleozyd
Adenina (A)	Ryboza	Adenozyna
Guanina (G)	Ryboza	Guanozyna
Cytozyna (C)	Ryboza	Cytydyna
Uracyl (U)	Ryboza	Urydyna

Konformacja nukleozydów (syn-adenozyna i anty-adenozyna) - w naturalnie występujących nukleozydach występują w większości w konfiguracji anty (beta) (wzory umieć) (zasada azotowa znajduje się po przeciwnej stronie wiązania N-glikozydowego)

Nukleotydy - fosforanowe estry nukleozydów, reszta fosforanowa przyłączona jest do grupy hydroksylowej przy C5 reszty cukrowej, powstają 5'-nukleotydy czyli nukleozydo-5'-fosforany, np.

• Deoksyadenozyno-5'-monofosforan (dAMP)

• Urydyno-5'-monofosforan (UMP)

• A także trifosforan nukleozydu

STRUKTURA PIERWSZORZĘDOWA KWASÓW NUKLEINOWYCH

• Nukleotydy w nici kwasu połączone są wiązaniem 3'-5' - fosfodiestrowym, 5'-fosforan pierwszego nukleotydu nie jest związany z żadnym innym nukleotydem, a ostatni nukleotyd w łańcuchu ma wolną grupę 3'-hydroksylową

• Występuje polarność budowy, oba końce mają odmienne właściwości

• W pH obojętnym każda grupa fosforanowa ma pojedynczy ładunek ujemny, dlatego łańcuchy polinukleotydowe nazywa się kwasami

Sekwencja DNA/RNA

• Kolejność powtarzających się monomerów (niepowtarzalna i charakteryzująca dany kwas nukleinowy) - różniących się składem zasad,

• Poszczególne zasady azotowe zapisywane są literowo (A, G, C, T lub U) od lewej do prawej (od końca 5' 3') np. 5'-AGCT-3' lub w skrócie AGCT,

• Ze względu na polarność, TCGA i AGCT to różne związki

STRUKTURA DRUGORZĘDOWA KWASÓW NUKLEINOWYCH

• DNA wyizolowano po raz pierwszy w 1869 roku (Mescher)

• Model cząsteczki DNA wg Watson i Crick'a - 1953

• Odległość między sąsiednimi zasadami - 0,34 nm

• Skręt helisy powtarza się co 3,4 nm - na jeden skręt helisy przypada 10 zasad

• Średnica helisy - 2 nm

• Helisa stabilizowana jest wiązaniami van der Waalsa, oddziaływaniami hydrofobowymi, wiązaniami wodorowymi

DNA występuje przeważnie w postaci dwuniciowej helisy, tworząc drugorzędową strukturę:

• Dwa oddzielne łańcuchy, które biegną w przeciwnych kierunkach (antyrównolegle) (5'3' i 3'5'), owinięte są wokół siebie tworząc prawoskrętną helisę

• Ujemnie naładowane rdzenie cukrowo-fosforanowe cząsteczek DNA znajdują się na zewnątrz - pełnią funkcje strukturalne

• Płaszczyzny zasad, prawie prostopadłe do osi helisy, leżą jedna nad drugą wewnątrz helisy, tworząc komplementarne pary zasad (pary typu Watson - Crick), połączonych wiązaniami wodorowymi (A z T - 2 wiązaniami, G z C - 3 wiązaniami) - pełnią funkcję nośnika informacji genetycznej

• Sekwencja 1 nici określa sekwencje drugiej nici, co wykorzystywane jest w procesach replikacji i transkrypcji

Skład zasad wyznaczony doświadczalnie dla różnych organizmów

Gatunek	A:T	G:C	A:G
Człowiek	1,00	1,00	1,56
Łosoś	1,02	1,02	1,43
Pszenica	1,00	0,97	1,22
Drożdże	1,03	1,02	1,67
E.coli	1,09	0,99	1,05
Serratia marcescens	0,95	0,86	0,70

Stosunki A:T i G:C są bliskie 1,0 te pary zasad muszą być ze sobą komplementarne, aby ich ilość była taka sama

Rodzaje podwójnej helisy DNA

• B DNA

• A DNA

• Z DNA

B-DNA - prawoskrętna helisa, przeważa w warunkach fizjologicznych, inne C,D,E,P - pełnią często ważne fizjologiczne role

TRZECIORZĘDOWA STRUKTURA DNA

Koliste cząsteczki DNA - powstają w rezultacie kowalencyjnego połączenia dwóch końców liniowej dwuniciowej helisy (w wyniku aktywności ligazy DNA)

• Zrelaksowany DNA - nie wykazuje dodatkowych splotów

• Superhelikalny DNA - podwójna helisa ulega spiralizacji

Superhelikalny DNA

• Kształt bardziej zwarty, niż formy zrelaksowanej

• Superhelizacja DNA jest koniecznym warunkiem jego upakowania wewnątrz komórki

• Superhelikalny DNA jest mniej stabilny niż zrelaksowany DNA

• Powszechnie występuje w przyrodzie ujemnie superhelikalny DNA

• Ujemna superhelikalność przygotowuje DNA do procesów wymagających rozdzielenia nici: replikacji, rekombinacji i transkrypcji

Wielkość genomowego DNA niektórych organizmów

Organizm	Ilość pz	Długość (mikrometry)	Konformacja
Wirusy
SV40	5100	1,7	Kolista
Adenowirus	36000	12	Liniowa
Fag lambda	48600	17	Kolista
Bakterie
E.coli	4600000	1400	Kolista
Eukariota
Drożdże	13500000	4600	Liniowa
Muszka owocówka	165000000	56000	Liniowa
Człowiek	3000000000	1-2 x 10^6	Liniowa

Chromosomy eukariotyczne

Zawierają pojedynczą liniową cząsteczkę dwuniciowego DNA

W chromosomach eukariotycznych Dna jest silnie związany z białkami zasadowymi nazywanymi histonami (H1, H2A, H2B, H3, H4) - tworzą w ten sposób nukleosomy

Podwójna helisa paciorki na nitce solenoid rozciągnięta chromatyna ściśnięta chromatyna mitotyczny chromosom

FIZYCZNE I BIOLOGICZNE WŁAŚCIWOŚCI DNA

• Topnienie - rozdzielenie helisy na dwa łańcuchy, zerwanie wiązań wodorowych między komplementarnymi zasadami, pomiędzy zasocjowanymi warstwowo parami zasad

• Temperatura (temperatura topnienia - utrata połowy helikalnej struktury) - in vitro

• Helikazy - energia z hydrolizy ATP - in vivo

• Reasocjacja/renaturacja - splatanie nici (ang. annealing) - hybrydyzacja

• Denaturacja

• Temperatura

• Środowisko kwaśne lub zasadowe - niszczenie wiązań wodorowych

• Rozpuszczalniki chemiczne (formamid, mocznik) - niszczenie oddziaływań hydrofobowych

• Wysokie stężenie H+ powoduje hydrolizę kwasów nukleinowych do zasad azotowych, cukru i fosforanu, umiarkowane środowisko kwaśne powoduje hydrolizę wiązania pomiędzy cukrem i zasadami - umożliwiając sekwencjonowanie kwasów nukleinowych

RNA - stanowi około 5-10% masy komórki (DNA - 1%)

Rodzaje RNA

• Rybosomowy RNA - rRNA (E.coli 23S, 16S, 5S) - w połączeniu z białkami tworzy rybosomy, miejsca, w których odbywa się synteza białek - funkcje strukturalne i katalityczne

• Informacyjny RNA - mRNA (ang messenger RNA) - przenosi informacje z pojedynczego genu (DNA) do rybosomów - matryca do syntezy białek - około 5% totalnego RNA

• Transportujący RNA - tRNA - tworzy estry ze specyficznymi aminokwasami (każdy aminokwas min 1 tRNA), które są wykorzystywane do syntezy białek

• Niskocząsteczkowy jądrowy RNA - snRNA (ang small nuclear RNA) - bierze udział w usuwaniu intronów i łączeniu egzonów RNA (splicing RNA), snRNA w cytozolu uczestniczy w kierowaniu białek do określonych przedziałów komórkowych

Struktura RNA (różnice pomiędzy strukturą RNA i DNA):

• RNA zawiera rybozę, a nie 2'-deoksyrybozę. Dodatkowa grupa hydroksylowa w RNA sprawia, że jest on bardziej podatny na hydrolizę oraz umożliwia tworzenie się wiązań typu 2'5', a nie tylko typowych 3'5'

• W skład RNA wchodzi uracyl zamiast tyminy

• Większość cząsteczek RNA występuje w formie pojedynczych nici - wyjątek dwuniciowe RNA niektórych wirusów

• Wiele z nich zawiera obszerne rejony o strukturze dwuniciowej helisy (struktura spinki do włosów)

• Wewnętrzne pętle

tRNA - podstawowa jego funkcja polega na transporcie odpowiedniego aminokwasu (w formie aminoacylo-tRNA) do miejsca syntezy białka (translacji), na podstawie sekwencji mRNA, czyli kodonu

• Struktura tRNA przypomina liść koniczyny

• Ramię antykodonowe - zawiera antykodon, parujący się z kodonem w mRNA

• Ramię D lub DHU - zawiera dihydrouracyl, specyficznie rozpoznawane przez syntetazę aminoacylo-tRNA - decyduje, który aminokwas będzie przyłączony

• Ramię T - zawiera pseudourydynę, służy do mocowania aminoacylo-tRNA na rybosomie

• Niektóre tRNA mają również ramię dodatkowe (zmienne), długość od 3-21 nukleotydów

rRNA - tworzy kompleksy z białkami, pełni funkcje strukturalne

• W rybosomie mRNA łączy się z odpowiednim tRNA związanym z aminokwasem

• Zaktywowane aminokwasy wiążą się w łańcuch polipeptydowy

• Proces biosyntezy białka zachodzący na rybosomach, z wykorzystaniem informacji genetycznej zawartej w mRNA nazywa się translacją

KWASY NUKLEINOWE JAKO POŻYWIENIE

Dorosły człowiek pobiera z codziennym pożywieniem średnio 1g DNA oraz 1g RNA. Względnie wysokie ich stężenia są obecne w podrobach i tkance mięśniowej zwierząt. Żywność roślinnego pochodzenia zawiera niższe stężenia DNA

Kwasy nukleinowe, po ich spożyciu, ulegają rozpadowi w przewodzie pokarmowym. Już po przejściu przez dwunastnicę 95% kwasów nukleinowych jest hydrolizowanych. W jelicie cienkim proces rozpadu jest kontynuowany, z udziałem nukleaz trzustkowych. Proces dalszego rozpadu prowadzi do nukleozydów i kwasu fosforowego, z udziałem enzymów znajdujących się na powierzchni śluzówki jelit. Nukleozydy z kolei ulegają rozpadowi do cukrów oraz zasad purynowych i pirymidynowych. W takiej właśnie postaci mogą być przyswajane

WYKŁAD 9 26-XI-08

Ekspresja genów, biosynteza białka, metody biotechnologiczne stosowane w gospodarce żywnościowej.

1. Replikacja DNA w komórkach eukariotycznych:

replikacja - powielanie/synteza DNA, na matrycy rozplecionych nici rodzicielski, w mechanizmie semikonserwatywnym:

• w jednym cyklu ilość DNA ulega podwojeniu (konieczność przy każdym podziale komórki),

• na zasadzie komplementarności - zapewnia wierności przekazywania informacji genetycznej

• w nowych dwuniciowych cząsteczkach DNA jest jedna nowa i jedna stara nić

• replikacja rozpoczyna się miejscu inicjacji

replikon - odcinek DNA replikowany pod kontrolą pojedynczego miejsca początku replikacji

substratami dla syntezy DNA są 5`fosforany deoksyrybonuklozydów - dATP, dTTP, dCTP, dGTP, w replikacji u eukariontów bierze udział 5 polimeraz DNA, jony Mg<sup>2+</sup> oraz starter (primer) RNA z wolną grupą 3`-OH składającą się z 10-12 nukleotydów, niezbędna jest również matryca DNA i inne enzymy oraz białka.

widełki replikacyjne - miejsce, gdzie następuje rozdzielenie nici rodzicielskich i synteza nowego DNA w sposób nieciągły - replikacja jest możliwa jedynie w kierunku 5`-3`. Oznacza to, że na matrycy nici o orientacji 3`-5` potomny DNA syntetyzowany jest w sposób ciągły nowa nić nazywana jest nicią wiodącą, a na drugiej nici matrycowej o orientacji 5`-3` powstają nowe odcinki DNA (100-200 pz) zwane fragmentami Okazaki, które z udziałem ligazy DNA są łączone w jedną nić.

w procesie replikacji stwierdzono wiele aktywności enzymatycznych:

• topoizomeraza - rozpłata podwójną helisę DNA, umożliwiając rozpoczęcie procesu

• helikaza - rozrywa wiązania wodorowe między nićmi matrycowego DNA, rozdzielając je

• prymaza - syntetyzuje starter - odcinek RNA

• polimerazy DNA - syntetyzują DNA, wytwarzają wiązania fosfodiestrowe zgodnie z zasadą komplementarności

• egzonukleaza - usuwa startery RNA z nici

• ligaza DNA - uzupełnia brakujące wiązania fosfodiestrowe w szkielecie nowozsytezowanej nici DNA - łączy fragmenty Okazaki

2. Transkrypcja u eukariontów

synteza RNA na matrycy DNA, reakcja katalizowana jest u eukariontów przez 3 polimerazy RNA, wymagana jest matryca DNA, substraty: trifosforany rybonukleozydów - ATP, GTP, UTP, CTP, jony Mg²⁺ i inne enzymy oraz białka

rejon rozplecionego DNA, który ulega transkrypcji wraz z polimerazą RNA syntetyzowanym mRNA nazywany jest bąble transkrypcyjnym

3 etapy transkrypcji:

1. inicjacja - polimeraza RNA rozpoznaje na cząsteczce DNA miejsce promotorowe (kaseta TATA), DNA jest rozpłatana i na jednej z nici - antysensownej (-) rozpoczyna się synteza RNA o sekwencji identycznej do nici DNA nie stanowiącej matrycy - nić kodująca lub sensowna (+)

2. elongacja - polimeraza RNA syntetyzuje RNA w kierunku 5`-3` używając 5`-trifosforanów jako substraty. kolejne zasady dobudowywane są na podstawie komplementarności zasad, zamiast tyminy występuje uracyl!

3. terminacja - transkrypcja trwa do mementu, gdy kompleks transkrypcyjny napotka sygnał terminacji np.. palindromowi rejon bogaty w GC w efekcie RNA przybiera postać struktury spinki do włosów, innym sposobem terminacji jest białko rho, które rozpoznaje miejsca terminacji i kończy transkrypcję.

2. Dojrzewanie mRNA u eukariontów:

• synteza blokady (kapu) na końcu 5`- przyłączenie 7-metyloguanozyny (m7G), kap zabezpiecza koniec 5` transkryptu przed atakiem rybonukleaz oraz pełni rolę przy biosyntezie białka - tylko mRNA ma kap - rRNA i tRNA kapu nie posiadają

• poliadenylacja końca 3` - dołączenie nawet do 250 reszta A - powstaje ogon poly (A), sekwencja ta stabilizuje mRNA ułatwia tworzenie kompleksu z odpowiednimi białkami i utrudnia atak rybonukleazom

• splicing - usunięcie sekwencji intronowych i połączenie eksonowych w funkcjonalną cząsteczkę mRNA, katalizowanie przez snRNA - możliwy alternatywny splicing

3. Cechy kodu genetycznego:

• kod jest trójkowy, jeden aminokwas kodowany jest przez 3 nukleotydy (grupa 3 zasad kodujących 1 aminokwas nazywana jest kodonem lub trypletem)

• kod genetyczny jest nienakładający się = niezachodzący, kodony nie mają elementów wspólnych

• nie ma znaków przestankowych = bezprzecinkowy - pomiędzy trypletami nie ma przerw

• kod jest zdegenerowany - niektóre aminokwasy są kodowane przez więcej niż 1 kodon np. treonina kodowana jest przez 4 trójki: ACU, ACC, ACA, ACG

• kod jest jednoznaczny dana trójka koduje tylko 1 aminowkas

• uniwersalność kodu genetycznego polega na tym, że występuje u wszystkich żywych organizmów prawie bez zmian

kod genetyczny - współzależność między sekwencją zasad w DNA (lub mRNA stanowiącym jego transkrypt) a sekwencją aminokwasów w białku

kodon start : AUG

kodony stop: UAA, UGA, UAG

4. Biosynteza białka u eukariotów

• zachodząca na rybosomach synteza białka z odpowiednich aminoacylo-tRNA na podstawie sekwencji mRNA czytanej w kierunku 5`-3`, białko syntetyzowane jest od N-końca do C-końca

5. Aminoacylo - tRNA: aktywowane związki pośrednie w biosyntezie białka:

• aminokwasy nie mają zdolności rozpoznawania kodonów

• (dlatego) związane są ze specyficznymi tRNA

• (to) tRNA rozpoznaje kodon

• aminacylowanie tRNA zachodzi w dwóch etapach:

• 1 etap - reakcja aminokwasu z ATP, powstaje aminoacylo-AMP i PP (enzym: syntetaza aminoacylu-tRNA - 20 form - 20 AA

• 2 etap - reakcja aminoacylu-AMP i tRNA, powstaje aminoacylo-tRNA + AMP (enzym:syntetaza aminoacylu-tRNA, energia z hydrolizy pirofosforanu)

6. 3 - etapowa biosynteza białka - powstawanie wiązania peptydowego pomiędzy aminokwasami:

• 1 etap - inicjacja - powstaje kompleks mRNA - robosom, pierwszy kodon `start` - AUG (koduje metioninę - Met) wiąże pierwszy aminoacylo-tRNA do inicjacji potrzebne są również białka inicjujące syntezę białka (eIF)

• 2 etap - elongacja - czytanie kolejnych kodonów, wydłużanie łańcucha polipeptydowego poprzez wytworzenie wiązania peptydowego aminokwasów, dodawanie kolejnych aminokwasów do końca C, w tym etapie biosyntezy białka niezbędne są białka regulujące - czynniki elongacyjne (eEF)

• 3 etap - terminacja - zakończenie syntezy białka, po odczytaniu kodonu `stop`, peptyd usuwany jest z rybosomu, uczestniczą w tym białkowe czynniki uwalniające (eRF)

7. Obróbka potranslacyjna białka:

• fałdowanie

• transport do określonych organelli (sekwencje kierujące)

• glikozylacja białek - zachodzi w aparacie Golgiego:

• oligosacharydy mogą łączyć się przez grupę -OH seryny lub treoniny - wiązanie O-glikozydowe

• oligosacharydy mogą łączyć się przez grupę -NH, glutaminy - wiązanie N-glikozydowe

• fosforylacja, N-acetylacja, N-formylacja, N-metylacja (cytoplazma lub jądro komórkowe)

• hyfroksylacja

• ubikwitynacja - naznaczenie do trawienia - wadliwe białka lub o krótkim okresie życia

• proteoliza - enzymy trawienne, kaskada krzepnięcia krwi

8. Kontrola ekspansji genów

Na poziomie transkrypcji - wiązanie się białek ze specyficznymi sekwencjami DNA, białkami uczestniczącymi w procesie transkrypcji np. z polimerazą RNA

Procariota:

• teoria operonu laktozowego

• białko CAP/CRP - 50x stymuluje transkrypcję - `przyciąga` polimerazę RNA do promotorów

Eucariota :

• zmianą struktury chromatyny - `urywanie` miejsc wiązania polimerazy RNA - bądź miejsc paromotorowych - kaseta TATA

• obecność sekwencji wzmacniających - miejsc wiązania białek regulatorowych - lepsze eksponowanie miejsc wiązania polimerazy RNA

• modyfikacja zasad w DNA - metyzacja cytozyny - `wystająca` grupa metylowa zakłóca procesy stymulujące transkrypcję

• kompleksowe oddziaływania białko-białko czynników transkrypcyjnych

• hormonalnie poprzez jądrowe receptory hormonów np. ERE - estrogen response element

• acetylacja histonów - redukcja powinowactwa do DNA - rozluźnienie chromatyny

operon laktozowy - zsynchronizowana zmiana ekspresji kilku powiązanych ze sobą produktów genów nazywana jest operonem np.: operon laktozowy: permeazy galaktozydowej, acetylotransferazy tioglaktozydowej beta-galaktozydazy

gen regulatorowy - koduje białko - represor

gen operatorowy - może się tu wiązać represor - blokując transkrypcję genów struktury

geny struktury - ?

9. elementy inżynierii molekularnej:

• enzymy restrykcyjne

• PCR i zastosowanie

• klonowanie

• korzyści z `zabawy` genami

10. enzymatyczny rozkład kwasów nukleinowych

enzymy nukleolityczne katalizując rozkład kwasów nukleinowych hydrolizują wiązania fosfodiestrowe, podział:

• deksyrybonukleazy - hydrolizują DNA

• rybonukleazy - hydrolizują RNA

• nukleazy - nie wykazują specyficzności wobec rodzaju kwasu nukleinowego

11. Historia PCR:

• polimerazową reakcję łańcuchową (PCR) wymyślił Kary Mullis w 1983 roku

• wynalazca stał się biochemicznym `bożyszczem tłumów`. nagrodą dla Mullisa za to rewolucyjne odkrycie był czek opiewający na kwotę 10000$

• korporacja Cetus, dla której od 1979 pracował Mullis, zainkasowała 300 milionów $ za sprzedanie patentu firmie Hoffman La Roche w 1992r

• 1993 r. Nobel

• od 1993 r. Muliis porzuciła naukę i oddał się jak sam mówi swoim trzem pasjom: alkoholowi, pływaniu na desce surfingowej i pięknym kobietom

(jestem pewien, że na kolosie będzie pytanie o pasje Mullisa)

12. Cykl syntezy DNA w reakcji PCR

PCR - łańcuchowa reakcja polimerazy - umożliwia wielokrotne powielenie dowolnej sekwencji DNA, pod warunkiem, że znane są sekwencje krótkich odcinków DNA po każdej stronie sekwencji przeznaczonej do powielenia

etap 1 - denaturacja matrycy

etap 2 - przyłączenie starterów (hybrydyzacja)

etap 3 - wydłużanie starterów (elongacja)

13. Zastosowanie metody PCR:

• badanie żywności w kierunku modyfikacji genetycznej GMO (kukurydza, soja, zboża, pomidory, ziemniaki, buraki cukrowe etc.)

• badania mikrobiologiczne żywności (jakościowe i ilościowe) (staphylococcus ureus, salmonelle species, shigella species, listeria species)

• badania naukowe (biologia molekularna, biotechnologia, badania ewolucyjne, antropologia, badania środowiskowe)

• diagnostyka niepłodności męskiej o podłożu genetycznym (polegająca na braku plemników w nasieniu - mikrodelecja na chromosomie Y)

• ustalania pokrewieństwa i ojcostwa

• kryminalistyka

14. klonowanie DNA:

• powielanie obcego DNA w komórce (bakterii, drożdży, owadów)

• wymaga połączenia z wektorem (DNA wirusowym lub plazmidowym) zdolnym do autonomicznej replikacji

• klonowanie pozwala uzyskać w dużych ilościach dowolny gen, który następnie można wprowadzić do nowych gatunków tworząc organizm transgeniczny (GMO)

15. Pozytywne aspekty GMO:

• wytwarzanie żywności bezpiecznej dla zdrowia, wolnej od zanieczyszczeń chemicznych np. pozostałości pestycydów:

• pomidory z tolerancją na herbicydy np. glufosfat (?) (Basta), i glifosat (Rundup)

• pomidory z wyciszonym genem poligalakturanozy - owoce dłużej się przechowują, nie miękną, można uzyskać więcej koncentratu

• wytwarzanie szczepionek dla potrzeb immunoprewencji rośliny z antygenami przeciwko HBV - wirusowe zapalenie wątroby typu B

• genetyczne modyfikacje zwierząt np. mleko: obniżenie poziomu laktozy, wprowadzenie białek ludzkich, zmiany I rzędowej strukturze kazeiny - wprowadzenie dodatkowych miejsc cięcia dla proteolitów, dodatkowe miejsca fosforylacji, wprowadzenie białek przeciwbakteryjnych i obronnych

• wytwarzania modyfikowanych roślin dla potrzeb ich uprawy w warunkach niekorzystnych klimatycznie (susza, powodzie, zasolenie, wysoka zawartość metali szkodliwych w glebie)

• uzyskiwania na drodze modyfikacji genetycznej rzepaku Canova, z NNKT, których źródłem, w warunkach naturalnych, są przede wszystkim `owoce morza`, głównie ryby

1

---