BIOCHEMIA - chemia biologiczna, zajmuje się strukturą chemiczną org. oraz przemianą materii i energii w żywych org. Dyscyplina naukowa badająca strukturę, właściwości fizykochem. i przemiany metaboliczne zw. chem. w kom. zachodzące pod wpływem różnych czynników fizjologicznych i patologicznych

METABOLIZM - przemiana materii, obejmuje wszystkie procesy biochemiczne zachodzące w kom. całego żywego org. procesy te warunkują prawidłowy wzrost, rozwój i funkcjonowanie org.

ANABOLIZM- ciągi reakcji enzymatycznych, które prowadzą do syntezy zw. wielkocząsteczkowych (kw. nukleinowych, cukrów, białek, lipidów). Wymagają dostarczania energii w postaci ATP.

-przewaga w okresie wzrostu i rozwoju org.

-reakcje endoergiczne

KATABOLIZM - procesy degradacji enzymatycznej, ulegają im zw. wielkocząsteczkowe (przekształcane gł. w reakcjach hydrolizy i utleniania). Związane z uwalnianiem energii w postaci ATP. -przewaga w okresie starości

-reakcje egzoergiczne

ATP- najważniejszy nukleotyd adeninowy warunkujący zachowanie kom. przy życiu

- cykl Krebsa i β-oksydacja kw. tłuszczowych => mitochondria

- biosynteza kw. tłuszczowych => cytoplazma

- biosynteza białek (translacja) => rybosomy

AMINOKWASY

2gr funkcyjne: karboksylowa (-COOH)protonodawca i aminowa (-NH₂), protonobiorca

WŁAŚCIWOŚCI:

1. Amfoteryczny charakter - aminokwasy występują w roztworze w postaci jonów obojnaczych (amfijonów): środowisko kwaśne (kationy) środowisko zasadowe (aniony).

PUNKT IZOELEKTRYCZNY (pi)- gdy suma wszystkich ładunków w roztworze = zero, w tym punkcie aminokwas nie porusza się w polu elektrycznym , max liczba jonów obojnaczych, liczna anionów=liczbie kationów

2. Z wyjątkiem glicyny, wszystkie aminokwasy zawieraja 4 różne podstawniki wokół węgla α (tetraedryczny), który nadaje aminokwasom charakter związków optycznie czynnych (izomerów L i D)

3. Ze względu na miejsce syntezy:

-egzogenne - dostarczane z pożywieniem (fenyloalanina, leucyna, izoleucyna, lizyna, metionina, treonina, tryptofan, walina)

-endogenne- organizm sam je syntetyzuje w zależności od potrzeb

Aminokwasy rzadko występujące w białkach:

-poliaminokwasy - desmozyna i izodesmozyna- w elastynie

- 4-hydroksyprolina - w kolagenie i białkach roślinnych

- 5-hydroksylizyna - tylko w kolagenie

Katabolizm - prowadzi do wytworzenia metabolitów pośrednich i produktów wydalania zw. azotowych. Aminokwasy nie są magazynowane ani wydalane z org. Każdy ma własny tor przemian

Gr. NH₂ jest odłączana od aminokwasu a pozostały szkielet węglowy jest przekształcany do acetylo-CoA lub jego metabolitów w dużym cyklu Krebsa

TRANSAMINACJA- odłączenie gr. α-aminowej z aminokwasu i przeniesienie jej na α atom węgla jednego z 3 α-ketokwasów: kw. pirogronowy, szczawiooctanowy, α-ketoglutarowy (bez uwalniania do środowiska gr. NH₂)

DEAMINACJA OKSYDACYJNA- odłączenie gr. NH₂ z aminokwasu i uwolnienie jej do środowiska. 2 etapy: 1)utlenienie gr. NH₂ do gr. iminowej, 2) spontaniczna hydroliza powstałego aminokwasu do ketokwasu

MAŁY CYKL KREBSA (cykl mocznikowy)-proces cyklicznej produkcji mocznika z 2 cząsteczek NH₃ i 1 cząsteczki CO₂

-zużywane 3 cząsteczki ATP - energetycznie niekorzystne ale potrzebne (duża toksyczność amoniaku)

1)powstaje karbomoilofosforan (zużywa 2cz. ATP) reakcję katalizuje synteza karbomoiloforforanowa (przede wszystkim w wątrobie)

2)karbomoilofosforan reaguje z gr. NH₂ ornityny tworząc cytrulinę

3)cytrulina w 2stopniowej reakcji przekształca się w argininę (gr. NH₂ pochodzi z kw.asparaginowego)

- kw. asparaginowy przy udziale enzymu kondensującego reaguje z cytruliną => kw. arginino bursztynowy (zużywana 1cz.ATP)

- kw. arginino bursztynowy rozpada się na argininę i kw. fumarowy

4)arginina pod wpływem arginazy hydrolizuje na mocznik i ornitynę (która ponownie może wejść w reakcję z karbomoilofosforanem)

PEPTYDY-składają się z kilku, kilkunastu lub większej liczny aminokwasów, połączonych wiązaniem peptydowym (-CO-NH-)

-OLIGOPEPTYD <10 aminokwasów

-POLIPEPTYD >10 aminokwasów

-MAKROPEPTYD >100 aminokwasów (białko)

N-końcowy - wolna gr. NH₂

C-końcowy - wolna gr. COOH

GLUTATION - tripeptyd występujący we wszystkich kom. (L-γ-glutamylo-L-cystenyloglicyna )

Ma charakterystyczną gr. sulfhydrylową (pochodzi od reszty cysteiny), łatwo ulega odwodorowaniu (2cz. glutationu zredukowanego łączą się w 1cz. glutationu utlenionego

- w warunkach biologicznych - reakcja odwracalna (glutation pełni rolę ukł. oksydoredukcyjnego)

-Oksytocyna - oligopeptyd wytwarzany przez tylny płat przysadki mózgowej, hormon pobudzający skurcz macicy w okresie porodu

-Wazopresyna- oligopeptyd wytwarzany przez tylny płat przysadki mózgowej, pobudza resorpcję wody w kanalikach nerkowych a w dawkach farmakologicznych obkurcza naczynia krwionośne i podnosi ciśnienie tętnicze krwi

-kortykotropina (ACTH)- polipeptyd, hormon przysadki mózgowej, pobudza korę nadnerczy do wydzielania kortyzolu i wielu słabo działających androgenów

-glukagon- polipeptyd, wytwarzany przez kom. α wysp trzustkowych, zwiększenie stężenia glukozy we krwi, wzmaga procesy glukoneogenezy i glikogenolizy oraz utleniania kw. tłuszczowych

-insulina- polipeptyd, hormon anaboliczny, produkowana przez kom. β wysp trzustki, działanie ogólnoustrojowe, zasadnicza rola w metabolizmie węglowodorów, białek i tłuszczów. Zwiększa transport glukozy do wnętrza kom. = zmniejszenie stężenia glukozy we krwi

BIAŁKA podział ze względu na:

->rozpuszczalność, kształt, czynności biologiczne

- strukturalne

-katalityczne

- transportowe

->stosunek osiowy cząsteczki:

-globularne (kształt „zwiniętego kłębka” np. hemoglobina)

-włókienkowe- np. kolagen, fibrynogen, fibroina

FUNKCJE BIAŁEK:

1. Katalityczne- ponad 3000enzymów (biokatalizatorów)

2. Strukturalne- kolagen, elastyna, białka błon szkieletowych, cytoszkieletu kom., białka kurczliwe mięśni

3. f. białek homologicznych- cytochrom C

4. transportowe- albuminy, lipoproteiny, transferryna

5. f. hormonów, przeciwciał, receptorów

6. regulacyjne - jako białka enzymów regulatorowych (allosterycznych)

B. PROSTE- zbudowane wyłącznie z aminokwasów np. histony, albuminy, globuliny, skleroproteiny, protaminy, kolagen, elastyna

B. ZŁOŻONE - tworzą połączenia z innymi składnikami chemicznymi kom.

- glikoproteiny - składnik cukrowy

- lipoproteiny - lipidowy

- nukleoproteiny - kw. nukleinowe

- fosfoproteiny- reszty kw. fosforowego

- metaloproteiny - jony metali

- flawoproteiny - nukleotyd flawinowy

- hemoproteiny - żelazoprotoporfiryna

- wiązania mocne (kowalencyjne) np. peptydowe, disiarczkowe

- wiązania słabe - wodorowe, jonowe, van der Waalsa

POZIOMY ORGANIZACJI STRUKTURALNEJ (każda kolejna obejmuje wszystkie poprzednie)

I-RZĘDOWA- określona przez sekwencję aminokwasów w łańcuchu białkowym

II-RZĘDOWA- lokalne struktury powstające w wyniku tworzenia się wiązań wodorowych pomiędzy tlenem gr. >C=O, a wodorem gr. -NH, dwóch niezbyt odległych od siebie w łańcuchu, wiązań peptydowych (helisa, β-kartka, β-zakręt)

III-RZĘDOWA- wzajemne położenie elementów struktury drugorzędowej stabilizowane przez oddziaływania reszt aminokwasowych oraz tworzenie mostków dwusiarczkowych -S-S-, powstających pomiędzy 2 resztami cysteiny, 2 resztami metioniny albo 1 cysteiny i 1 metioniny

IV-RZĘDOWA- przestrzenna budowa białka zbudowanego z kilku łańcuchów polipeptydowych oraz zawierające struktury niebiałkowe (gliko-, lipo-, nukleon-, fosfoproteiny)

BIAŁKA KRWI

1)hemoglobina - 32-33% masy erytrocytów, cząsteczka hemoglobiny składa się z 4 pierścieni hemowych, 4 łańcuchów polipeptydowych (2α i 2β - parami identyczne)

- transport tlenu z płuc do wszystkich tkanek za pośrednictwem naczyń krwionośnych

-tlen wiąże się z atomem żelaza hemu tworząc oksyhemoglobinę (wiązanie koordynacyjne - słabe) nie jest to utlenianie ale utlenowanie (brak zmiany wartościowości żelaza Fe²⁺)

-w wyniku utleniania hemoglobiny powstaje methemoglobina (Fe²⁺ => Fe³⁺ i traci zdolność przyłączania tlenu)

2)białka osocza- 85% jego suchej masy (albuminy i globuliny)

-albuminy - służą gł. do regulacji ciśnienia osmotycznego krwi, wiążą się z wodą i utrzymują stałą objętość krwi w ustroju; transportują różne substancje za pomocą krwioobiegu, stanowią one rezerwę dla organizmu podczas choroby i głodu

-globuliny- różnorodne funkcje

BIAŁKA MIĘŚNI

-mają wysoką wartość odżywczą

- prawie połowa wszystkich przemian metabolicznych, zwłaszcza procesy oddechowe jest zlokalizowana gł. w mięśniach. Znajdują się w niej także inne zw. organiczne - ATP, kreatyna, wit. z gr. B, wiele innych zw. organicznych i nieorganicznych

1)SARKOPLAZMY - białka cytoplazmy w kom. mięśniowej otaczającej miofibrylę; rozpuszczalne w wodzie, stanowią 30% białek mięśni nazywanych miogenami-mają charakter enzymatyczny w procesie glikolizy oraz kinazy kreatynowej. Mioglobina- wiąże się z tlenem silniej niż hemoglobina, stanowi rezerwę tlenową mięśni

2)MIKROFIBRYLLI- poprzecznie prążkowanych, cienkich włókienek kom. mięśniowej

- MIOZYNA - należy do globulin; w cz. globularnej zlokalizowany jest enzym o aktywności ATPazy, rozkładający ATP do ADP i ortofosforanu, uwalniana w reakcji energia chemiczna z ATP -> energię mechaniczną w czasie skurczu i rozkurczu mięśnia

-AKTYNA- stanowi 14% białek mięśnia, występuje w 2 postaciach: globularnej (aktyna G) i fibrylarnej (aktyna F)

KWASY NUKLEINOWE-najważniejsze makromolekuły w kom., podstawową jednostka ich budowy są nukleotydy

2rodz. - DNA (deoksyrybonukleinowy); RNA (rybonukleinowy)

NUKLEOTYD- zasada azotowa+cukier 5węglowy (=NUKLEOZYD) +gr. fosforanowa

Nukleotydy łączą się przez ugrupowanie fosforanowe czyli wiązanie FOSFODIESTROWE

DNA- 2 splecione wokół siebie łańcuchy polinukleotydowe (prawoskrętna podwójna helisa), orientacja łańcuchów jest przeciwległa (jeden biegnie w kierunku 5'-3' drugi 3'-5'); komplementarność zasad DNA powoduje, że zawiera on inf. o samym sobie =może służyć jako matryca do wyprodukowania własnej kopii

RNA-pojedynczy łańcuch polinukleotydowy, może być czasami lokalnie zwinięty w podwójna helisę

mRNA- informacyjny (przenosi inf. genetyczną z DNA zawartego w jądrze do cytoplazmy)

rRNA- rybosomalny (wchodzi w skł. rybosomów, tam zachodzi biosynteza białek)

tRNA- transportujący (doprowadza aminokwasy do rybosomów)

enzymy- biokatalizatory - fermenty. Wyspecjalizowane cząsteczki białka, które katalizują reakcje chemiczne, zachodzące w żywym organizmie. Większość enzymow to białka złożone, posiadają część białkową (APOENZYM) i część niebiałkową, która może być silnie związana z apoenzymem za pomocą wiązań kowalencyjnych (GRUPA PROSTETYCZNA), lub może też łatwo oddysocjować od apoenzymu( KOENZYM). Mogą ją też stanowić tzw. KOFAKTURY(czyli aktywatory lub inhibitory np. jony metali)

HOLOENZYM=APOENZYM(cz. białkowa)+GRUPA PROSTETYCZNA(cz. niebiałkowa) lub KOENZYM lub KOFAKTURA

Klasy enzymów: 1) Oksydoreduktazy - katalizują procesy oksydo-redukcyjne (przenoszenie elektronów i protonów na różne akceptory, np. NAD+, NADP+, flawoproteidy). 2) Transferazy - katalizują reakcje przenoszenia grup funkcyjnych z cząsteczki donora do cząsteczki akceptora, np. metylowej -CH3 (transmetylazy), aminowej -NH2 (transaminazy), acylowych R-CO-(transacylazy). 3)Hydrolazy - katalizują rozpad cząsteczek złożonych na prostsze przy udziale H2O;katalizują przenoszenie grypy funkcyjnej z cząsteczki donora do cząsteczki wody; w ten sposób dochodzi do hydrolizy wiązań estrowych (esterazy), eterowych, glikozydowych (glikozydazy), amidowych (amidazy). 4) Liazy - katalizują reakcję addycji wody, amoniaku lub CO2 do wiązań podwójnych; katalizują również reakcje odwrotne. 5) Izomerazy - przebudowują strukturę cząsteczki bez jej rozkładu; katalizują więc wewnątrzcząsteczkowe przegrupowanie atomów, czyli izomerię (izomerazy cis, trans).6) Ligazy - katalizują reakcje łączenia dwóch substratów, w wyniku czego powstają wiązania C-O, C-S, C-N, C-C. Są to reakcje wymagające nakładu energii ze związków wysokoenergetycznych, np. ATP, GTP.

Inhibicja niekompetycyjna Inhibitory niekompetycyjne mogą się wiązać do wolnego enzymu, nigdy do jego miejsca aktywnego, przez co nie konkurują z substratami, które także mogą się przyłączyć do powstałego kompleksu. Oba możliwe kompleksy, enzym-inhibitor (EI) i enzym-inhibitor-substrat (EIS) są enzymatycznie nieaktywne. Ponieważ wiązanie inhibitora jest całkowicie niezależne od substratu, co oznacza, że większe stężenie substratu nie wpływa na obniżenie oddziaływań z inhibitorem (w przeciwieństwie do inhibicji kompetycyjnej).

Inhibicja kompetycyjna - inhibitor i substrat współzawodniczą o miejsce aktywne cząsteczki enzymu. Związanie przez enzym cząsteczki inhibitora uniemożliwia zatem związanie substratów (i vice versa) i kompleks enzym-inhibitor (EI) jest enzymatycznie nieaktywny. Zazwyczaj inhibitor kompetycyjny jest strukturalnie bardzo podobny (lub ma podobny motyw bezpośrednio wiążący się do centrum aktywnego) do prawdziwego substratu dla określonego enzymu. Przyłączenie inhibitora uniemożliwia związanie substratu i odwrotnie, dzięki czemu poprzez regulację stężenia inhibitora możliwa jest kontrola szybkości reakcji.Maksymalna szybkość reakcji (Vmax) nie zmienia się i może być osiągnięta poprzez zwiększenie stężenia substratów, które przezwycięży inhibicję.

Inhibicja nieodwracalna Inhibitory nieodwr. reagują z enzymem, wiążąc się kowalencyjnie, a zatem nieodwracalnie, do jego łańcuchów białkowych. Taka inhibicja trwale unieczynnia daną cząsteczkę enzymu. Inhibitory te wstępnie, jeszcze nie kowalencyjnie, wiążą się z miejscami aktywnymi enzymów, po czym dopiero aktywność enzymu przekształca je w reaktywne formy, które wiążą się nieodwracalnie z jedną lub więcej resztami aminokwasowymi miejsca aktywnego enzymu, blokując je.

Centrum allosteryczne specyficzne miejsce receptorowe w cząsteczce enzymu wykazującego właściwości allosteryczne. Jest ono zwykle oddalone od centrum aktywnego. Związki przyłączane w centrum alloster.(tzw. regulatory) oddziałują na strukturę przestrzenną całej cząsteczki enzymu i przez to wpływają na jego aktywność. Wśród cząsteczek regulatorowych można wyróżnić aktywatory, które stabilizują aktywna formę enzymu oraz inhibitory, których przyłączenie powoduje zahamowanie działania enzymy. Niektóre regulatory mogą częściowo modyfikować właściwości oddalonych przestrzennie od centrum allosterycznego fragmentów cząsteczki białka.

Centrum aktywne-region enzymu w który wiąże substrat, znajduje się zazwyczaj w szczelinach i bruzdach o charakterze hydrofobowym i zajmuje niewielki fragment cząsteczki enzymu, substraty wiązane są do centrum aktywnego za pomocą oddziaływań i wiązań niekonwalencyjnych.

2 modele wiązań: 1) model zamka i klucza (kształt substratu do centrum aktywnego ma sztywną, utrwalona strukturę, idealnie do siebie pasują po odpowiednim zestawieniu) 2) dopasowania indukowanego (związanie substratu indukuje zmianę konformacji w centrum aktywnym enzymu)

Mechanizm działania enzymu - katalityczne działanie enzymu polega na obniżaniu energii aktywacji

WĘGLOWODANY-związki organiczne o charakterze aldehydoalkoholi lub ketoalkoholi wielowodorotlenkowych. Większość cukrów skł. się z 3 pierwiastków: C, H, O

FUNKCJE BIOLOGICZNE:

1)są substratami energetycznymi dla większości organizmów

2)tworzą elementy strukturalne ścian bakteryjnych, pancerzy skorupiaków i włókien celulozowych roślin

3)są elementami składowymi glikoprotein i glikolipidów

PODZIAŁ ZE WZGLĘDU NA:

-LICZBĘ at. C W CZĄSTECZCE CUKRU PROSTEGO- triozy (np. aldehyd D-glicerynowy), tetrozy (erytroza), pentozy (ryboza, deoksyzyboza), heksozy (glukoza, galaktoza, mannoza, fruktoza, fukoza), heptozy (sedoheptuloza),

-CHARAKTER GR. FUNKCYJNEJ - aldozy (najwyżej utleniona gr. aldehydowa), ketozy (najwyżej utleniona gr. ketonowa) (fruktoza jest ketozą)

-KIERUNEK SKRĘCALNOŚCI ŚWIATŁA -> szczególne formy izomerii:

a)EPIMERIA- jeżeli 2 monosacharydy różnią się położeniem podstawników (-H, -OH) przy jednym atomie C, z wyjątkiem C gr. karboksylowej, są określane epimerami

b) ENANCJOMERIA-występowanie pewnych związków w dwóch postaciach z których jedna jest lustrzanym odbiciem drugiej, różnią się położeniem podstawników przy C asymetrycznym

c)CYKLIZACJA -przechodzenie z postaci łańcuchowej w postać pierścieniową

d)ANOMERIA- przejście z formy łańcuchowej w pierścieniową wiąże się z powstaniem nowego węgla asymetrycznego (ANOMERYCZNEGO)

3 GŁÓWNE ŹRÓDŁA GLUKOZY W USTROJU: -dieta, rozkład glikogenu, glukoneogeneza

GLIKOGENOGENEZA -proces w którym glikogen jest syntezowany z α-D-glukozy; zachodzi w cytozolu kom. wymaga nakładu energii w postaci ATP potrzebnej do fosforylacji cząsteczki glukozy oraz energii w postaci UTP potrzebnego do wytworzenia UDP glukozy. Insulina nasila ten proces

GLIKOGENOLIZA- rozkład glikogenu w wątrobie i mięśniach (nie jest to odwrócenie jego biosyntezy bo wymaga innych enzymów), adrenalina i glukagon pobudzają ten proces.

METABOLIZM GLUKOZY- przemiana glukozy do CO₂ i H₂O (spalanie całkowite) jest procesem 2etapowym = łączna uzyskana energia to 38cz.ATP

1) proces glikolizy- przemiana glukozy do pirogronianu, która przebiega przez 10 kolejno zachodzących po sobie reakcjach

2) metabolizm pirogronianu do CO₂ i H₂O

Glikoliza w warunkach tlenowych = 8cz. ATP; w warunkach beztlenowych = 2cz. ATP

CAŁKOWITE UTLENIANIE KW. PALMITYNOWEGO DO CO₂ I H₂O:

1. aktywacja palmitynianu do palmitoilo~S-CoA (-2cz. ATP)

2. β-oksydacja palmitoilo~S-CoA ( +35cz. ATP)

3. spalanie acetylo~S-CoA w cyklu Krebsa (+96cz. ATP)

RAZEM = 129cz.ATP

BILANS ENERGETYCZNY UTLENIANIA GLICELORU:

1. fosforylacja glicerolu (-1cz.ATP)

2. utlenianie glicerolo-3-fosforanu do fosfodihydroksoacetonu (+3cz.ATP)

3. przemiana fosfodihydroksoacetonu do pirogronianu (+5cz.ATP)

4. oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu (3cz. ATP)

5. spalanie octanu w cyklu Krebsa (+12cz.ATP)

RAZEM = 22cz.ATP

CYKL KREBSA- utlenianie gr. acetylowych związanych z acetylo~S-CoA do CO₂ i H₂O, ponadto dostarczanie substratów do różnych biosyntez; funkcjonuje wyłącznie w mitochondriach i jest sprzężony z reakcjami fosforylacji oksydacyjnej; jest głównym źródłem energii

BILANS ENERGETYCZNY CYKLU KREBSA:

1. podczas jednego obrotu cyklu, 4 pary elektronów (3 pary z NADH+H⁺ i 1 para z FADH₂) są utleniane przez łańcuch oddechowy = 11cz.ATP

2. powstaje 1cz. GTP na drodze fosforylacji substratowej energetycznie = 1cz.ATP

RAZEM = 12cz.ATP

---