BIOCHEMIA

1. Struktura i współzależność metaboliczna organelli komórek pro- i eukariotycznych

KOMÓRKA PROKARIOTYCZNA

Prokariota (bakterie i sinice) są organizmami najliczniej występującymi na Ziemi. Komórka prokariotyczna nie zawiera jądra otoczonego błoną. Bakterie mają kształt kulisty, cylindryczny lub śrubowaty.

Każda komórka prokariotyczna jest otoczona błoną komórkową. Komórki nie mają organelli, a jedynie błona komórkowa tworzy wpuklenia określane jako mezosomy. Mezosomy mogą być miejscem replikacji DNA i innych wyspecjalizowanych reakcji enzymatycznych. DNA występuje w cytozolu w formie skondensowanego nukleoidu. Pewne prokariota mają wici, długie struktury wystające poza komórkę. Błona komórkowa składa się z dwuwarstwy lipidowej i zawartych w niej białek.

Zbudowana z peptydoglikanu (białko i oligosacharydy) ściana komórkowa ochrania komórkę prokariotyczną przed działaniem sił mechanicznych i osmotycznych. Bakterie gramdodatnie mają grubą ścianę komórkową otaczającą błonę komórkową, natomiast bakterie gramujemne mają cieńszą ścianę komórkową oraz dodatkowo błonę zewnętrzną, między którymi znajduje się przestrzeń peryplazmatyczna.

KOMÓRKA EUKARIOTYCZNA

Komórki eukariotyczne mają otoczone błonami jądro i pewną ilość innych błonowych organelli wewnątrzkomórkowych, z których każda pełni specyficzne funkcje.

Błona komórkowa otacza komórkę, oddzielając ją od środowiska zewnętrznego. Błona komórkowa jest barierą selektywnie przepuszczalną dzięki obecności specyficznych białek transportowych. Bierze ona również udział w przyjmowaniu informacji, w momencie gdy ligandy wiążą się na jej powierzchni z błonowymi receptorami, a także w procesach egzocytozy i endocytozy.

Jądro przechowuje informację genetyczną komórki jako DNA w chromosomach. Otoczone jest dwiema błonami, przez które przechodzą bardzo złożone pory, umożliwiające cząsteczkom wchodzenie do jądra i wychodzenie z niego. Jądreko jest w obrębie jądra miejscem syntezy Rrna.

Retikulum endoplazmatyczne (ER) – Ta sieć połączonych ze sobą pęcherzyków i cystern dzieli się na dwie odrębne części. Szorstkie retikulum endoplazmatyczne (SER) bierze udział w biosyntezie fosfolipidów i detoksykacji związków trujących.

Aparat Golgiego będący systemem spłaszczonych woreczków błonowych stanowi w komórce centrum sortowania i pakowania. Przyjmuje pęcherzyki błonowe z RER, modyfikuje dostarczone w ten sposób białka i następnie upakowuje je w inne pęcherzyki, które w końcu ulegają fuzji z błoną komórkową lub innymi organellami wewnątrzkomórkowymi.

Mitochondria mają błonę zewnętrzną i wewnętrzną, oddzielone przestrzenią międzybłonową. Błona zewnętrzna jest bardziej przepuszczalna niż błona wewnętrzna, dzięki obecności białka – poryny. Błona wewnętrzna pofałdowana w grzebienie jest miejscem fosforylacji oksydacyjnej, procesu wytwarzającego ATP. Zamknięta błoną wewnętrzną matriks jest miejscem utleniania się kwasów tłuszczowych i przebiegu cyklu kwasu cytrynowego.

Chloroplasty obecne w komórkach roślin są otoczone podwójną błoną i mają wewnętrzny system błonowy w postaci spłaszczonych pęcherzyków tylakoidowych w stosy jako grana. Pęcherzyki tylakoidowe zawierają chlorofil i są miejscem fotosyntezy. W Stromie, płynnym ośrodku otaczającym pęcherzyki tylakoidowe, zachodzi proces wiązania dwutlenku węgla.

Lizosomy otoczone pojedynczą błoną są organellami komórek zwierzęcych. Ich wnętrze jest kwaśne (pH 4-5) dzięki działaniu w błonie pompy białkowej wprowadzającej jony H⁺ . Wewnątrz lizosomów znajdują się hydrolazy kwaśne – enzymy czynne podczas degradacji makrocząsteczek, w tym wchłoniętych w drodze endocytozy.

Peroksysomy zawierają enzymy czynne podczas rozkładu aminokwasów i kwasów tłuszczowych, czego produktem ubocznym jest nadtlenek wodoru. Ten toksyczny związek jest szybko rozkładany przez enzym katalazę, również obecną w peroksysomach.

Cytozol jest rozpuszczalną częścią cytoplazmy, w której zachodzi ogromna ilość reakcji metabolicznych. W cytozolu znajduje się cytoszkielet, sieć włókien (mikrotubuli, filamentów pośrednichi mikrofilamentów) podtrzymująca kształt komórki.

Cytoszkielet – Komórki eukariotyczne mają jako wewnętrzne rusztowanie cytoszkielet, który kontroluje kształt i ruchy komórki. Cytoszkielet jest zbudowany z mikrofilamentów aktynowych, filamentów pośrednich i mikrotubul.

Mikrotubule – Filamenty mikrotubul są wydrążonymi, cylindrycznymi strukturami zbudowanymi z białka tubuliny. Ściana mikorotubuli jest utworzona z helikalnego układu ułożonych naprzemiennie podjednostek alfa- i beta-tubuliny. Wrzeciono mitotyczne, biorące udział w rozdzielaniu chromosomów podczas podziałku komórki, jest zbudowane z mikrotubul. Kolchicyna hamuje powstawanie mikrotubul, natomiast czynnik przeciwnowotworowy taksol stabilizuje mikrotubule zakłócając mitozę.

Ściana komórkowa otaczająca komórkę roślinna jest zbudowana z polisacharydu celulozy. W roślinach zdrewniałych dodatkową wytrzymałość i sztywność zapewnia polimer fenolowy – lignina.

Wakuola komórki roślinnej – otoczona błoną wakuola służy do magazynowania substancji zapasowych i wydalin, ma kwaśne pH i – w wyniku wpływania wody – wytwarza w komórce ciśnienie turgorowi, skierowane ku ścianie komórkowej.

2. Pierwiastki biogenne i woda w strukturze

Pierwiastki biogenne są niezbędne dla prawidłowego funkcjonowania organizmów żywych. Należą do nich C, N, O, H, Na, K, Ca Mg, Cu, Zn, Fe, Co, Ni, F, I, Se, itp. Pierwiastki te stanowią materiał budulcowy organizmów żywych, wchodzą w skład enzymów i ich koenzymów lub grup prostetycznych, sterują lub kontrolują procesy metaboliczne, regulują ponadto równowagę jonową i ciśnienie osmotyczne organizmów a nadto, u zwierząt utrzymują pobudliwość nerwowo-mięśniową.

Pierwiastki biogenne (inaczej biogeny) dzieli się na makroelementy i mikroelementy. Dla niektórych organizmów wyróżnia się również ultraelementy. Makroelement y, to pierwiastki występujące w organizmie w dużych ilościach (powyżej 1% suchej masy organizmu) a

Mikroelementy występują w organizmach roślinnych i zwierzęcych rzadziej i w mniejszych ilościach. I zgodnie z tą definicją, dla człowieka do makroelementów zalicza się: C, O, H, N, P, S, K, Mg i Ca, Na i Cl a do mikroelementów Fe, Zn, Mn, Cu, B, Cr, F, I, Co, Si, Mo, Ni, Se i V. Biochemicy do makroelementów zaliczają pierwiastki budulcowe organizmów, a więc wchodzące w skład białek, enzymów, kwasów nukleinowych, składników ściany komórkowej, i tym podobnych związków organicznych znajdowanych w komórce. Najważniejsze makroelementy to C H O P K i N S.

Biogenne pierwiastki stanowią materiał budulcowy, wchodząc w skład enzymów i koenzymów, sterują procesami metabolicznymi, regulują ponadto równowagę jonową i ciśnienie osmotyczne organizmu oraz utrzymują pobudliwość nerwowo-mięśniową.

Woda spełnia w organizmie wiele ważnych funkcji:

- Przede wszystkim jest głównym składnikiem organizmu i może stanowić 45-75% masy ciała. Będąc prawie idealnym rozpuszczalnikiem woda stanowi środowisko dla wszystkich procesów życiowych, jakie przebiegają w organizmie.

- Woda jest też niezbędna do normalnego przebiegu procesów trawienia.

- Niewielkie ilości wody z przestrzeni transkomórkowej spełniają rolę zabezpieczającą i zwilżajającą.

- Woda jest nieściśliwa i dzięki temu stanowi ochronę, np. dla gałki ocznej, mózgu, rdzenia kręgowego czy płodu. System transportowy składników odżywczych i metabolitów wewnątrz komórki i między jej organellami oraz wymiana z otaczającym środowiskiem i przenoszenie na większe odległości bazuje na rozpuszczalności tych substancji w wodzie

3. Aminokwasy struktura i właściwości; podstawowa struktura, izomery, polarne i niepolarne aminokwasy, właściwości typu kwas-zasada

Aminokwasy są jednostkami budowy białek. Wszystkie aminokwasy, z wyjątkiem glicyny, mają cztery różne grupy ułożone tetraedrycznie wokół centralnego atomu węgla. Jest to atom asymetryczny – chiralny. Aminokwasy mogą występować w 2 formach izometrycznych – D i L. D, to forma prawoskrętna, L lewoskrętna. Obie formy mają jednakowe właściwości chemiczne, ale różne właściwości fizyczne, np. optyczne.

Wszystkie aminokwasy występujące w białkach są L-aminokwasami. Formę D znajdujemy jedynie w ścianie komórkowej i otoczkach niektórych bakterii oraz w pewnych antybiotykach peptydowych.

Aminokwasy są konieczne do biosyntezy białka. Niektóre z nich muszą być obowiązkowo doprowadzone z pożywieniem (aminokwasy niezbędne lub egzogenne), ponieważ tkanki są niezdolne do ich syntezy. Pozostałe, czyli aminokwasy endogenne, są również dostarczane z pokarmem, ale mogą być także wytwarzane w organizmie .

Równoczesna obecność w cząsteczkach aminokwasów dwóch grup funkcyjnych: karboksylowej i aminowej sprawia, że aminokwasy są związkami amfoterycznymi, których charakter uzależniony jest od stężenia jonów wodorowych w środowisku.

Aminokwasy występują w roztworze w postaci jonów obojnaczych.

Obojnacze jony aminokwasów w kwaśnym roztworze wykazują właściwości zasadowe, czyli przyłączają protony do grupy karboksylanowej (-COO-) i stają się kationami.

W środowisku zasadowym, obojnacze jony aminokwasów wykazują właściwości kwasowe, czyli oddają protony od grupy amoniowej (-NH3+) i stają się anionem

aminokwasy polarne – do których zaliczymy: argininę, asparaginę, lizynę, glicynę, cysteinę, glutaminy, tyrozynę, treoninę, serynę, histydynę, kwas asparaginowy i glutaminowy;

aminokwasy niepolarne – do których zaliczymy: alaninę,leucynę, izoleucynę, metioninę, fenyloalaninę, prolinę i walinę.

KWASY, ZASADY, pH

pH jest miarą stężenia H+ w roztworze. Kwas jest donorem protonu, a zasada jest akceptorem protonu. W wyniku jonizacji kwasu powstaje sprzężona z tym kwasem zasada. Oba związki tworzą sprzężoną parę kwas-zasada. Taką parą jest np. kwas octowy i octan. pK kwasu odpowiada takiemu pH, w którym połowa tego kwasu jest zdysocjonowana. Równanie Hendersona-Hasselbacha przedstawia zależność między pH, pK i proporcją kwasu do zasady, a więc może być wykorzystywane obliczania ich zawartości.

Izomery – związki chemiczne o identycznych sumarycznych wzorach cząsteczkowych, różniące się między sobą sposobami lub kolejnością wiązań atomowych albo ich innym rozmieszczeniem w przestrzeni. Przykłady: etanol (C2H5OH) i eter dwumetylowy (CH3OCH3); kwas cyjanowy (HOCN), kwas izocyjanowy (HONC) i kwas piorunowy (fulminowy) (HCNO); izomery geometryczne: kwas fumarowy (trans-butenodiowy) i kwas maleinowy (cis-butenodiowy), oba ze wzorem strukturalnym HOOC–CH=CH–COOH

4. STRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI BIAŁKA; Charakterystyka wiązania peptydowego. Klasyfikacja białka. Białka proste i złożone. Funkcje. Poziomy struktury (pierwszorzędowa, druga-, trzecio- i czwartorzędowa) i typy wiązań. Właściwości białek. Denaturacja i koagulacja.

Białka są polielektrolitami, zawierającymi rozmaite grupy funkcyjne w bocznych łańcuchach aminokwasów. Jony wodorowe znajdujące się w roztworze mogą zmienić jonizację tych grup i stąd całkowity ładunek cząsteczki białka zależy od pH środowiska. Przy określonej wartości pH roztworu, w wyniku jonizacji w cząsteczce białka powstaje tyle samo ładunków dodatnich co ujemnych, czyli białko osiąga punkt izoelektryczny (pI). W tych warunkach suma ładunków elektrycznych danego białka jest równa zeru.

Białka mają charakter amfoteryczny wynikający przede wszystkim z występowania wolnych grup karboksylanowych –COO- (kwasu asparaginowego i glutaminowego oraz C-końcowej grupy cząsteczki) i amoniowych NH3+ (lizyny i argininy oraz N-końcowej grupy cząsteczki). W roztworach o pH powyżej wartości pI białko występuje w postaci anionu, zaś w roztworach o pH poniżej wartości pI w postaci kationu.

Większość białek dobrze rozpuszcza się w wodzie, niektóre rozpuszczają się tylko w rozcieńczonych roztworach soli, kwasów i zasad. Na rozpuszczalność białek w wodzie wpływają różne czynniki:

- Decyduje o tym przede wszystkim zdolność do hydratacji (oddziaływania cząsteczek białek z drobinami wody),

- a ponadto budowa chemiczna, obecność soli w środowisku oraz pH roztworu.

Białka rozpuszczają się w wodzie z utworzeniem roztworu koloidalnego, składającego się z fazy rozproszonej (cząsteczki białka) i fazy rozpraszającej (rozpuszczalnik-woda). Ze względu na wielkość cząsteczek fazy rozproszonej, układy koloidowe znajdują się między roztworami rzeczywistymi :

- (mieszanina jednorodna; wielkość cząstek < 1nm)

- a zawiesinami (cząstki > 100 nm). Cząstki zawiesiny oddzielają się od ośrodka bardzo łatwo, tyle cząstki roztworów koloidowych są o wiele trwalsze i mogą utrzymywać w roztworze bardzo długo. W przypadku białek rozdrobnienie substancji rozproszonej jest tak duże, że sprawia to wrażenie mieszaniny jednorodnej.

Z punktu widzenia powinowactwa do wody, białka dzieli się na hydrofilowe, o dużym oraz hydrofobowe, o małym powinowactwie do wody (w zależności od udziału hydrofilowych lub hydrofobowych grup R).

Zdolność do hydratacji białka hydrofilowego sprawia, że drobiny wody łączą się z grupami funkcyjnymi bocznych łańcuchów aminokwasów (polarne grupy hydroksylowe, karboksylowe i aminowe) oraz atomami N i O wiązania peptydowego poprzez wiązania wodorowe lub oddziaływania van der Waalsa. W konsekwencji cząsteczki tych białek są otoczone „płaszczem wodnym” zwanym otoczką solwatacyjną. Ilość wody hydratacyjnej związanej przez białko może sięgać 0,3-0,4 g wody na 1 g białka.

Wytworzona na powierzchni białka warstwa hydratacyjna uniemożliwia wzajemne stykanie się ich cząsteczek w roztworze. Stąd białka, pomimo dużych cząsteczek, nie ulegają łatwo wytrącaniu w roztworach wodnych. Należy jednak podkreślić, że rozpuszczalność białek hydrofilowych może być spowodowana działaniem dwóch czynników, a mianowicie wytwarzaniem warstwy hydratacyjnej, jak również jednakowym ładunkiem samego białka.

Białka hydrofilowe mogą czasem wiązać drobiny wody również wewnątrz cząsteczki, jeśli znajdują się tam reszty polarnych aminokwasów. Towarzyszące takiemu uwodnieniu zjawisko zwiększania objętości cząsteczek białek nazywane jest pęcznieniem.

Są rozpuszczalne tylko w słabych roztworach elektrolitów (sole nieorganiczne) na skutek selektywnej adsorpcji z roztworu jonów jednego rodzaju. Wtedy cząsteczki białek posiadają ten sam ładunek elektryczny, co zmniejsza wzajemne ich przyciąganie, a w następstwie zwiększa rozpuszczalność białka.

Na rozpuszczalność białek wpływa wyraźnie pH roztworu białka. W punkcie izoelektrycznym pI przyciąganie między cząsteczkami białka jest największe, ponieważ nie mają one ładunku elektrycznego. Białko w tym punkcie jest najmniej rozpuszczalne.

-Wiązanie peptydowe-

* Białko to liniowa sekwencja aminokwasów połączonych ze sobą wiązaniami peptydowymi. Wiązanie peptydowe jest wiązaniem kowalencyjnym między grupą α- aminową jednego aminokwasu i grupę α- karboksylową kolejnego. Wiązanie peptydowe ma częściowo charakter wiązania podwójnego i prawie zawsze występuje w konfiguracji trans .

* Kiedy dwa aminokwasy zostaną połączone wiązaniem peptydowym, tworzą dipeptyd, na którego końcach nadal znajdują się wolna grupa aminowa i karboksylowa; każda z nich może się połączyć z kolejnym aminokwasem. Łańcuch polipeptydowy fałduje się, dzięki czemu powstaje specyficzny kształt (konformacja) białka.

Konformacja to przestrzenne ułożenie atomów w strukturze, które można wyznaczyć na podstawie sekwencji reszt aminokwasów. Istnieją cztery poziomy struktury białek określane jako struktura pierwszo-, drugo- i trzeciorzędowa i, występującą czasami, ale nie zawsze, czwartorzędowa:

** Struktura pierwszorzędowa jest sekwencją aminokwasów w cząsteczce.

** Struktura drugorzędowa białka to regularne pofałdowanie regionów łańcucha polipeptydowego. Sposobami pofałdowania białka są α helisa, struktura β i zwrot β. Białka mają obszary o uporządkowanej strukturze drugorzędowej podzieone obszarami kłębków statycznych(brak struktóry II)

** Struktura trzeciorzędowa- wzajemny udział w przestrzeni elementów struktóry II rzędowej bez uwzględnienia, zależności od sąsiednich cząstek. Wiązania: di siarczkowe, jonowe, oddziaływania hydrofobowe, van der Waalsa

** Struktura czwartorzędowa- kilka łańcuchów oddziałujących ze sobą, nie związanych kowalencyjnie. Poszczególne to MONOMERY. Komplet podjednostek wykazuje aktywność biologiczną. np.:

* hemoglobina- 4 podjednostki z hemem. Konformacja: dzięki: kowalencyjnym i peptydowym .

Natywna (biologicznie aktywna) przestrzenna konformacja białka utrzymywana jest przez zestaw wiązań kowalencyjnych (wiązania peptydowe między kolejnymi resztami aminokwasowymi, wiązania dwusiarczkowe) i wiązania niekowalencyjne (wiązania wodorowe, wiązania hydrofobowe, wiązania jonowe, oddziaływania van der Waalsa).

* Koagulacja (wytrącenie) to „łączenie się” cząsteczek białek w większe agregaty, w skutek czego wypadają one z roztworu. Proces ten zachodzi inaczej dla białek hydrofilowych niż hydrofobowych.

Koagulacja białek hydrofilowych polega na usunięciu warstwy hydratacyjnej, co następuje po wprowadzeniu do roztworu substancji odwadniającej. Przykładem takich związków może być aceton, etanol bądź duże ilości łatwo rozpuszczalnych soli metali lekkich, przy czym jony tych soli muszą ulegać silniejszej hydratacji niż cząsteczki białka. Przeważnie do wytrącania stosuje się (NH4)2SO4, Na2SO4 lub MgSO4. Między cząsteczkami białka i jonami soli dochodzi do „konkurencji” o cząsteczki wody. Dodane jony soli wiążą wodę pozbawiają cząsteczki białka płaszcza wodnego, co zmniejsza ich rozpuszczalność i prowadzi do wytrącania z roztworu. Koagulację białek hydrofilowych pod wpływem dużych ilości soli nazywa się wysalaniem. Wysalanie jest procesem odwracalnym. Po zmniejszeniu stężenia soli można ponownie rozpuścić wytrącone białko.

Wykazuje ono swoje rodzime właściwości, ponieważ wysalanie nie powoduje denaturacji. Etanol i aceton również powodują odwodnienie białka i jego wypadanie z roztworu. Jeżeli rozpuszczalniki te działają krótko i w niskiej temperaturze, białko nie ulega denaturacji i można je rozpuścić. Wytrącanie w temperaturze pokojowej i przez długotrwałe działanie rozpuszczalników organicznych (ponad godzinę), prowadzi do denaturacji białka – staje się ono nierozpuszczalne.

Aby doprowadzić do koagulacji białko hydrofobowe, należy zobojętnić ładunek elektryczny nagromadzony na powierzchni jego cząsteczek. Osiąga się to przez dodanie odpowiedniego elektrolitu. W wyniku zmniejszenia ładunku powierzchniowego następuje łączenie się cząsteczek w większe agregaty, czyli koagulacja.

Koagulację białka można przyspieszyć także poprzez ogrzewanie. Wyższa temperatura powoduje zwiększenie energii kinetycznej wszystkich cząsteczek, zwiększa się zarówno ilość, jak i energia ich zderzeń. Na skutek tego łatwiej mogą być pokonane siły odpychania między jednoimiennie naładowanymi cząsteczkami białek i łatwiej tworzą się ich większe agregaty.

Globuliny są w wodzie nierozpuszczalne z powodu silnego momentu dipolowego (skłonność do tworzenia agregatów).

Kationy i aniony soli, zobojętniają ujemne i dodatnie ładunki dipola białkowego, uniemożliwiają agregację cząsteczek.

Albuminy są dobrze rozpuszczalne w wodzie, gdyż ich moment dipolowy jest mniejszy od globulinowego, a poza tym wykazują dużo większe powinowactwo do wody.

Denaturacja to zmiany w konformacji łańcucha polipeptydowego, w skutek których białko traci biologiczne właściwości. Proces ten następuje wówczas, kiedy pod wpływem czynników fizycznych lub chemicznych ulega zniszczeniu struktura IV, III lub II rzędu, tj. kiedy dochodzi do zdeformowania ukształtowania cząsteczki, swoistego dla każdego białka, bez hydrolitycznej degradacji łańcucha polipeptydowego. Czynniki denaturujące działają na wiązania, które stabilizują strukturę białek (wodorowe, jonowe, hydrofobowe, dwusiarczkowe). W wyniku rozerwania wiązań stabilizujących strukturę białka, uwolnione grupy funkcyjne reszt aminokwasowych mogą wytworzyć inne wiązania, które zmieniają konfigurację cząsteczki.

Denaturowana cząsteczka odznacza się utratą właściwości biologicznych (enzymatycznych, antygenowych, hormonalnych), a także zmianą właściwości fizykochemicznych (zmniejszenie rozpuszczalności, wzrost lepkości, utrata skręcalności światła spolaryzowanego).

Denaturacja jest procesem samorzutnym, egzoergicznym, co warunkuje jego nieodwracalność. Czasami jednak denaturacja może być odwracalna, gdy np. czynnik denaturujący działał krótko i nie spowodował daleko posuniętych zmian w strukturze cząsteczki białka. Wówczas mówi się o renaturacji.

Po denaturacji białka mają przeważnie właściwości hydrofobowe, niezależnie od typu natywnego białka, hydrofilowego czy hydrofobowego. Białko takie może pozostawać w formie nieskoagulowanej w roztworze o pH różniącym się znacznie od wartości jego pI.

Po doprowadzeniu pH roztworu do wartości zbliżonej do pI (poprze dodanie odpowiedniego elektrolitu) białko zdenaturowane wytrąca się. Należy zatem pamiętać, że denaturacja białek nie zawsze zachodzi równocześnie z koagulacją (ale może).

Denaturację białka wywołują niektóre czynniki fizyczne: ogrzewanie, ultradźwięki, promieniowanie X i ultrafioletowe, wysychanie, wstrząsanie wodnych roztworów białka w atmosferze powietrza.

Ciepło, powodując zrywanie wiązań wodorowych w cząsteczkach, prowadzi do nieodwracalnej denaturacji białek. Proces ten rozpoczyna się dla różnych białek w różnych temperaturach (między 40 a 1000C). Tylko nieliczne białka wytrzymują krótkie gotowanie (np. żelatyna, rybonukleaza, trypsyna).

Denaturację białka, zachodzącą pod wpływem wysokiej temperatury, przeprowadza się, ogrzewając do wrzenia roztwór białka zawierający niewielką ilość kwasu octowego. Na skutek dodatku tego kwasu wytrącanie osadu białka zachodzi szybciej.

Białka mają następujące funkcje:

* kataliza enzymatyczna – od uwadniania dwutlenku węgla do replikacji chromosomów

* transport – hemoglobina, transferyna

* magazynowanie – ferrytyna

*kontrola przenikalności błon – regulacja stężenia metabolitów w komórce

* ruch uporządkowany – skurcz mięśnia, ruch – np. aktyna, miozyna

* wytwarzanie i przekazywanie impulsów nerwowych

* bufory

* kontrola wzrostu i różnicowania

* immunologiczna – np. immunoglobuliny

* budulcowa, strukturalna – np. &-keratyna, elastyna, kolagen

* przyleganie komórek (np. kadheryny)

* regulatorowa (regulacja hormonalna i regulacja przebiegu procesów genetycznych) – reguluje przebieg procesów biochemicznych – np. hormon wzrostu, insulina, czynniki transkrypcyjne i inne.

Stabilność białka- obok wiązań peptydowych między resztami poszczególnych aminokwasów w stabilizacji struktury przestrzennej białka uczestniczą: wiązania niekowalencyjne (siły elektrostatyczne, oddziaływania van der Waalsa, wiązania wodorowe, oddziaływania hydrofobowe) i wiązania kowalencyjne (wiązania dwusiarczkowe).

5. Enzymy. Struktura i funkcje. Specyficzność i struktura miejsca aktywnego. Kinetyka reakcji enzymatycznych. Równanie Michaelis-Menten. Kofaktory. Czynniki wpływające na aktywność enzymów. Inhibicja enzymu: inhibitory kompletacyjne i niekompetacyjne.

Specyficzność i struktura miejsca aktywnego. Miejsce aktywne enzymu to obszar który wiąże substraty. Miejsce to zawiera reszty aminokwasowi biorące bezpośredni udział w tworzeniu i zrywaniu wiązań. Reszty te nazywają się grupami katalicznymi enzymu. Miejsce aktywne to obszar enzymu, który najbardziej bezpośrednio obniża delta G++ reakcji co prowadzi do przyspieszenia reakcji charakterystycznej dla enzymu. Miejsce aktywne jest trójwymiarową szczeliną utworzoną przez grupy pochodzące z różnych części sekwencji aminokwasowej. Miejsce aktywne zajmuje stosunkowo małą część objętości cząsteczki enzymu. Większość reszt aminowasowych enzymu nie nawiązuje kontaktu z cząsteczką substratu. Miejsca aktywne tworzą unikatowe mikrośrodowiska. We wszystkich poznanych strukturalnie enzymach miejsca wiązań substratów znajdują się w zagłębieniach lub szczelinach niedostępnych zazwyczaj dla cząstki wody. Niepolarny charakter znacznej części takiej szczeliny sprzyja wiązaniu substratów, a także katalicznemu przebiegowi reakcji. W przypadku niektórych enzymów kształt miejsca aktywnego komplementarny względem substratu pojawia się dopiero po jego związaniu. Taki proces dynamicznego rozpoznawania nazwano indukowanym (wymuszonym) dopasowaniem.

Kinetyka reakcji enzymatycznych. Równanie Michaelis – Menten.

Badanie szybkości reakcji chemicznych nazywamy kinetyką, a badanie szybkośći reakcji katalizowanych przez enzymy – kinetyką enzymatyczną. Kinetyczny opis aktywności enzymów jest konieczny do zrozumienia działania enzymów.

Model Michaelis – Menten tłumaczy właściwości kinetyczne niektórych enzymów. W odelu tym enzym (E) łączy się z substratem (S), tworząc kompleks enzym substrat (ES), który może się przekształcić dając produkt (P), lub dysocjować powrotem do E i S.

Zastosowanie różnych aktywatorów i inhibitorów umożliwia wyciąganie wniosków dotyczących budowy centrum katalitycznego enzymu.

Kofaktory.

Sama białkowa część enzymu bez jego kofaktora jest nazywana apoenzymem. Kofaktorami mogą być jeden lub więcej jonów nieorganicznych, np. Zn2+ lub Fe2+, albo złożona cząsteczka organiczna o nazwie koenzym. Taki metal lub inna cząsteczka, które jest kowalencyjnie związany z enzymem, nazywa się grupą prostetyczną (np. hem)

Koenzym jest związane luźno. Pewne koenzymy, takie jak NAD+, są wiązane i uwalniane przez enzym w czasie jego cyklu katalitycznego i dlatego działają one właściwie jako kosubstraty. Całość katalitycznie aktywnego enzymu wraz z jego koenzymem lub jonem metalu określa się jako holoenzym.

Kofaktory możemy podzielić na:

- grupy prostetyczne – silnie, kowalencyjnie związane z enzymami - koenzymy – luźne, niekowalencyjnie związane

Klasyfikacja koenzymów:

a. Koenzymy przenoszące wodór H:

- NAD+ (nukleotyd mikotynamidowy)

- NADP+ (nukleotyd mikotynamidowy)

- FMN (nukleotyd flawinowy)

- FAD (nukleotyd flawinowy)

- Kwas limonowy

- Koenzym Q

b. Koenzymy przenoszące inne grupy niż H:

- CoA-SH (przenoszący Acyle)

- Fosforan pirodoksalu PLP (przenoszący grupy aminowe)

- Biotyna (witamina H, przenosząca grupy karboksylowe)

- Grupa nukleotrifosforanów (np. ATP)

- Kwas tetrahydrofilowy THF (przenoszący jednostki C1 oprócz CO2)

- Difosforan tiaminy DPT (przenoszące grupy ketolowe)

c. Koenzymy liaz, izomeraz i ligaz:

- Difosforan tiaminy DPT (przenoszące grupy ketolowe)

- Fosforan pirodoksalu PLP (przenoszący grupy aminowe)

- Koenzym B12 (cyjanokobalamina)

Inhibicja enzymów:

Każdą substancję, która zmniejsza szybkość reakcji katalizowanej przez enzym można uważać za inhibitor. Hamowanie aktywności enzymów jest jednym z głównych sposobów regulacji metabolizmu komórki i jedną z najważniejszych procedur diagnostycznych stosowanych przez enzymologów. Analiza inhibicji enzymatycznej daje sugestie co do specyficzności enzymów, budowy centrum aktywnego enzymu i kinetyki reakcji. W życiu codziennym inhibitory enzymów spotykamy w postaci leków, antybiotyków, środków konserwujących, toksyn i trucizn. Inhibitory działają na różne sposoby. Inhibitor kompetycyjny (współzawodniczy) to substancja, która łączy się z wolnym enzymem w sposób, który nie pozwala na związanie substratu przez cząsteczkę enzymu. Oznacza to, że inhibitor i substrat wyłączają się wzajemnie, najczęściej z powodu współzawodnictwa o to samo miejsce w cząsteczce enzymu. Inhibitor kompetycyjny może być niemetabolizowalnym analogiem lub pochodną substratu, alternatywnym substratem lub produktem reakcji. Klasycznym przykładem inhibitora współzawodniczego jest kwas malonowy, który hamuje aktywność dehydrogenazy bursztynianowej (oksydoreduktaza występująca w cykl Krebsa). Ponieważ kwas malonowy ma tylko jedną grupę metylenową to nie może ulec reakcji utlenienia jak bursztynian. Może tylko połączyć się z enzymem w kompleks EI, a kompleks może zdysocjować do wolnych E i I. Innym klasycznym przykładem tego rodzaju inhibicji jest hamowanie przez amid kwasu sulfanilowego biosyntezy kwasu foliowego z jego prekursora kwasu p-aminobezoesowego. Spośród przykładów tego typu inhibitorów warto zwrócić uwagę na kwas acetylosalicylowy (aspiryna). Kwas acetylosalicylowy hamuje niekompetycyjnie dehydrogenazę 2-oksoglutaranową (kompleks enzymatyczny działający w cyklu Krebsa), natomiast kwas salicylowy hamuje ten enzym kompetycyjnie. Wpływ obydwu tych związków badano na oddychanie mitochondriów serca, poszukując przyczyn ochronnego działania aspiryny na układ sercowo-naczyniowy. Innym przykładem inhibicji niekompetycyjnej jest hamowanie aktywności niektórych izoform cyklazy adenylowej (AC5 i AC6) przez jony wapnia w stężeniach mniejszych od 1 μM. Substratem cyklazy adenylowej jest ATP, a produktem obok pirofosforanu jest cykliczny AMP, wtórny przekaźnik sygnałów w komórkach. Wspomniane izoformy występują w sercu i naczyniach krwionośnych i uważa się je za regulatory rytmu serca. Klasyczny inhibitor niekompetycyjny nie ma wpływu na wiązanie substratu, zaś wiązanie substratu nie ma wpływu na wiązanie inhibitora. Substrat i inhibitor wiążą się odwracalnie,losowo i niezależnie, w różnych miejscach. Powstały kompleks jest katalitycznie nieaktywny.

6. Lipidy struktura, właściwości, funkcje. Lipidy proste: triacylglicerole, kwasy tłuszczowe. Ogólna charakterystyka: struktura i właściwości fosfolipidów i sfingolipidów. Steroidy: cholesterol i sole żółciowe

Lipidy-Substancje organiczne, występujące w organizmach żywych, nierozpuszczalne w wodzie, ale dające się ekstrahować rozpuszczalnikami organicznymi (np. chloroformem, acetonem, benzenem)

Biologiczne funkcje lipidów:

- Są materiałem budulcowym (fosfolipidy, cholesterol, glikolipidy)

- Decydują o właściwościach dynamicznych błony komórkowej

- Są prekursorami hormonów steroidowych (cholesterol) i hormonów tkankowych (kwasy tłuszczowe)

- Stanowią substrat dla syntezy kwasów tłuszczowych i niektórych witamin

- Biorą udział w zjawiskach immunologicznych (eikozanoidy)

Podział lipidów:

A. Lipidy proste – estry kwasów tłuszczowych z różnymi alkoholami

a) Tłuszcze właściwe – estry kwasów tłuszczowych z glicerolem

b) Woski – estry kwasów tłuszczowych z wyższymi alkoholami jednowodorotlenowymi

B. Lipidy złożone – estry zawierające dodatkowe grupy funkcyjne

a) Fosfolipidy – zawierają resztę kwasu fosforowego i zasady azotowej lub aminoalkoholu.

- glicerofosfolipidy – zawierające glicerol

- Sfingolipidy – zawierające sfingozynę

- Glikolipidy – zawierają kwasy tłuszczowe, alkohol sfingozynę i węglowodan

b) Inne lipidy złożone – sulfolipidy, aminolipidy, lipoproteiny

C. Prekursory i pochodne lipidów

- kwasy tłuszczowe,

- glicerol,

- alkohole inne niż glicerol,

- sterole i lipidy izoprenowe,

- witaminy rozpuszczalne w tłuszczach,

- hormony

KWASY TŁUSZCZOWE

Struktura i właściwości:

- Kwasy tłuszczowe są monokarboksylowymi kwasami o łańcuchach węglowodorowych.

- Łańcuch węglowodorowy KT ma charakter hydrofobowy

- Grupa karboksylowa KT jest polarna

Kwasy tłuszczowe nasycone, zawierające ponad 10 atomów węgla w łańcuchu:

- są substancjami stałymi

- są nierozpuszczalnymi w wodzie

- ich temperatura topnienia wzrasta wraz z długością łańcucha

Kwasy tłuszczowe nienasycone w większości są w temperaturze pokojowe substancjami płynnymi

Ze względu na obecność wiązania podwójnego nienasycone kwasy tłuszczowe mogą występować w dwóch formach stereoizomerycznych: cis i trans

Nazewnictwo kwasów tłuszczowych

Nazwy kwasów tłuszczowych tworzy się na podstawie liczby atomów węgla w łańcuchu oraz liczby i pozycji wiązań podwójnych. Najczęściej występującymi kwasami tłuszczowymi są palmitynian, stearynian, oleśnian, linolan, linolenian, arachidonian. Wiązania podwójne w kwasach tłuszczowych występują zazwyczaj w konfiguracji CIS.

Tłuszcze właściwe (acyloglicerole)

a) ze względu na budowę chemiczną należą do estrów

składnik alkoholowy – glicerol

składnik kwasowy – jednokarboksylowe wyższe kwasy tłuszczowe

najczęściej są to mieszaniny triacylogliceroli różnych kwasów tłuszczowych

W acyloglicerolach drugorzędowa grupa hydroksylowa położona jest po lewej stronie atomu wegla

Do oznakowania pozycji kwasów tłuszczowych stosuje się system numeracji stereospecyficznej (sn), umieszczając przedrostek –sn przed nazwą reszty glicerolowej, np. 1,2,3 – triacylo-sn-glicerol

Lipidy złożone

Glicerofosfolipidy - Fosfolipidy zbudowane są z czterech składników:

1. Glicerolu

2. Dwóch reszt acylowych połączonych wiązaniami estrowymi z atomami C1 i C2 glicerolu

3. Ortofosforanu połączonego wiązaniem estrowym z węglem C3 glicerolu

4. Innego alkoholu (cholina, etanoloamina, seryna, inozytol, glicerol) połączonego grupą -OH z resztą ortofosforanu

Kwas fosfatydowy

fosfatydyloetanoloamina (kefalina)

fosfatydylocholina (lecytyna)

fosfatydyloseryna

fosftydyloinozytol

difosfatydyloglicerol (kardiolipina)

Sfingofosfolipidy-zbudowane są z:

• sfingozyny – długołańcuchowego, jednonienasyconego aminoalkoholu dihydroksylowego

• długołańcuchowego kwasu tłuszczowego

• ortofosforanu

• choliny

• Ceramidy:

• Sfingomieliny

• Glikosfingolipidy:

  • cerebrozydy

  • gangliozydy

Gangliozydy-Pochodne glukozyloceramidu zawierające jedną lub kilka grup kwasu sjalowego

Glikolipidy-zawierają:

• ceramid

• cząsteczkę cukru (jedną lub więcej)

Woski - Ester długołańcuchowych kwasów tłuszczowych z długołańcuchowym alkoholem.

Zwierzęta i rośliny wykorzystują wosk jako powłokę ochronną :

• przed nadmiernym zwilżaniem piór

• zabezpieczają przed nadmiernym odparowaniem wody

• utrudniaja dostęp mikroorganizmom

Składniki w przygotowaniu:

• kosmetyków,

• maści (lanolina)

• powlekanie tabletek

Źródła wosków:

• wosk pszczeli

• wosk z waleni (olbrot)

• liście kopernicji

CHOLESTEROL jest składnikiem błon komórkowych oraz prekursorem hormonów steroidowych i soli żółciowych.

Sole żółciowe (kwasy żółciowe) to podstawowa postać, w jakiej wydzielany jest cholesterol. Są to związki polarne, powstające w wątrobie dzięki przekształceniu cholesterolu w zaktywowany związek przejściowy cholino-CoA, który reaguje z glicyną tworząc glikocholan lub z tauryną dając taurocholan. Sole żółciowe wykazują właściwości detergentów i są wydzielane do jelita, gdzie wspomagają trawienie i pobieranie lipidów z pokarmu.

7. Budowa błony komórowej i funkcje. Typy transportu.

• Obrazuje ją model płynnej mozaiki.

• Oddziela komórkę od środowiska pozakomórkowego, zapewnia z nim kontakt.

• Budują ją lipidy (m.in. fosfolipidy) i białka.

• Fosfolipidy mają charakter polarny.

Przepuszczalnośc błony: Błona komórkowa jest barierą selektywnie przepuszczalną. Pewne cząsteczki (woda, gazy, mocznik) mogą przejść bezpośrednio przez dwuwarstwę bez żadnej pomocy, natomiast inne cząsteczki (cukry, aminokwasy, jony itd.) wymagają obecności integralnych błonowych białek transportujących.

Transport bierny: Przemieszczanie cząsteczek poprzez błonę w wyniku transportu biernego nie wymaga doprowadzenia energii metabolicznej. Cząsteczka przemieszcza się ze stężenia większego od mniejszego. Transport bierny zachodzący w drodze biernej dyfuzji nie wymaga obecności integralnych białek błonowych. Szybkość przemieszczania cząsteczek (np. wody, gazów, mocznika) w drodze prostej dyfuzji jest wprost proporcjonalna do gradientu stężenia tych cząsteczek w poprzek błony. Transport bierny w drodze dyfuzji ułatwionej wymaga obecności specyficznych integralnych białek błonowych, które ułatwiają przejście z cząsteczki ( np. glukozy, innych cukrów, aminokwasów) poprzez błonę. Białko transportujące (np. przenośnik glukozy w erytrocycie) jest specyficzne dla danej cząsteczki, podlega wysyceniu, wykazuje określoną kinetykę wiązania, a jego aktywność zmienia się pod wpływem temp, pH i inhibitorów.

Transport aktywny: transport aktywny cząsteczek poprzez błonę wbrew gradientowi ich stężenia wymaga nakładu energii metabolicznej. W przypadku aktywnego transportu napędzanego przez ATP, energia potrzebna do przeniesienia cząsteczki lub jonu (Na+, K+, Ca2+ lub H+) poprzez błonę pochodzi ze sprężonej z tym transportem hydrolizy ATP (np. działaniem Na+/K+ - ATPazy). W transporcie aktywnym napędzanym przez jony ruch cząsteczki transportowanej poprzez błonę jest sprężony z ruchem jonu (Na+ lub H+) zgodnym z gradientem jego stężenia. Gdy zarówno transportowana cząsteczka, jak i on przemieszczają się przez błonę w tym samym kierunku. Proces nazywany jest symportem (np. przenośnik Na+/glukoza); gdy cząsteczka i jon przemieszczają się w kierunkach przeciwnych, proces nazywany jest antyportem (np. wymiennik anionów, będący białkiem pasma 3erytrocytów).

8. Węglowodany struktura, funkcji: Monosacharydy. Pentozy, heksozy. Epimery. Izomery – L i D, alfa i beta (ano mery). Polisacharydy i oligosacharydy. Budowa i typy wiązań: Glikogen, Skrobia, Celuloza. Funkcje polisacharydów.

Węglowodany, określane tez jako cukrowce, sacharydy, są aldehydami bądź ketonami zawierającymi wiele grup hydroksylowych (hydroksyaldehydy, hydroksyketony). (FUNKCJE)Stanowią przeważającą część materii organicznej na Ziemi, pełnią wielorakie funkcje we wszystkich formach życia. Służą jako materiał zapasowy i paliwo energetyczne oraz jako intermediaty

w szlakach metabolicznych, tworzą szkielet struktury RNA i DNA, są elementami strukturalnymi ścian komórkowych bakterii i roślin oraz zewnętrznych szkieletów stawonogów, odgrywają kluczową rolę w procesach rozpoznawania międzykomórkowego.

MONOSACHARYDY o ogólnym wzorze (CH2O)n zawierają albo grupę aldehydową albo ketonową. Wolna grupa aldehydowa lub

ketonowa redukuje jony miedziowe (Cu2+) do jonów miedziawych (Cu+) i dlatego taki monosacharyd nazywamy cukrem redukującym.

STEREOIZOMERY D i L cukrów odnoszą się do konfiguracji asymetrycznego atomu węgla najbardziej oddalonego od grupy aldehydowej lub ketonowej. O cukrze mówi się, że jest izomerem D wtedy, gdy konfiguracja atomów związanych z atomem węgla jest taka sama jak dla asymetrycznego węgla aldehydu D-glicerynowego

STRUKTURY PIERŚCIENIOWE Tetrozy i większe cukry mogą ulegać cyklizacji dzięki reakcji gr. Aldehydowej lub ketonowej z gr. Hydroksylową przy innym atomie węgla tego cukru. Glukoza ulega cyklizacji do formy sześcioczłonowego pierścienia piranozowego, natomiast cukry pięciowęglowe i sześciowęglowe-ketozy, takie jak fruktoza tworzą pierścienie furanozowe.

Istnieja dwie formy glukopiranozy: alfa i beta. W roztworze formy alfa i beta ulegaja wzajemnym przekształcenią przechodząc przez otwartą ormę łańcuchową(mutarotacja).

DISACHARYDY powstają wtedy, gdy dwa monosacharydy połączą się wiązaniem glikozydowym. Takie wiązanie może byc wiązaniem alfa lub beta w zależności od konfiguracji anomerycznego atomu węgla uczestniczącego w wiązaniu.

SACHAROZA jest cukrem nieredukującym, ponieważ ma zblokowane wiązanie hemiacetylowe. GLUKOZA i FRUKTOZA są cukrami redukującymi.

GLIIKOGEN jest polisacharydem o rozgałęzionym łańcuchu zawierającym reszty glukozy połączone wiązaniami alfa-1,4, a w miejscach rozgałęzienia wiązaniami beta-1,6. Rozgałęziona struktura glikogenu powoduje, że jest on łatwiej dostępny dla fosforylazy glikogenowej podczas degradacji, ponieważ enzym ten rozbija cząsteczkę przez ciągłe uwalnianie reszt glukozy z nieredukujących końców.

SKROBIA (czysta skrobia-KROCHMAL) stanowi mieszaninę nierozgałęzionej amylozy(reszty glukozowe połączone wiązaniami alfa1,4) i rozgałęzionej amylopektyny (reszty glukozowe złączone wiązaniami alfa-1,4 ale w niektórych miejscach rozgałęzienia wystp. Wiązania alfa-1,6)(amyloza-20%,amylopektyna- 80%)

CELULOZA jest polimerem prostym zbudowanym z reszt glukozy połączonych wiązaniami beta-1,4. Łańcuchy polisacharydowe są ustawione tak, że tworzą włókna wykazujące dużą wytrzymałość na rozciąganie. CELULAZA, enzym rozkładający celuloze, nie wystp. U ssaków, natomiast wytwarzany jest przez niektóre bakterie, grzyby i pierwotniaki.

9. Kwasy nukleinowe, ich struktura, rodzaje, funkcje

Kwasy nukleinowe to związki organiczne, których podstawową jednostka strukturalną jest nukleotyd. Nukleotyd tworzą jedna cząsteczka cukru zbudowanego z 5 atomów C – pentoza (ryboza, deoksyryboza), jedna cząsteczka kwasu fosforowego i jedna cząsteczka zasady azotowej. Zasada azotowa to związek organiczny posiadający skomplikowaną budowę cykliczną, zawierający w swoim składzie atomy azotu. Wymienia się 5 rodzajów zasad azotowych występujących w kwasach nukleinowych. Dzieli się je na 2 grupy. Są to zasady purynowe (pochodne heterocyklicznego związku puryny) oraz zasady pirymidynowe (pochodne heterocyklicznego związku pirymidyny). Do zasad purynowych należą adenina (A) i guanina (G). Do zasad pirymidynowych zalicza się cytozynę (C), guaninę (G) i uracyl (U).

Nukleotydy wiążą się ze sobą, tworząc łańcuchy polinukleotydowe (inaczej nici). Są one połączone w odpowiedni sposób. Przy trzecim atomie węgla pentozy znajduje się grupa alkoholowa (OH), która połączona jest z resztą fosforanową położoną przy piątym atomie węgla pentozy. Stąd w łańcuchu nukleotydowym można wyróżnić koniec 3’ (wolna reszta fosforanowa) i koniec 5’(wolna grupa alkoholowa pentozy).

Istnieją dwa rodzaje kwasów nukleinowych: kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA) i kwas rybonukleinowy (RNA). DNA ma postać prawoskrętnie skręconej spirali (helisa). Deoksynukleotydy zbudowane są z następujących zasad azotowych: adenina (A), tymina (T), cytozyna (C) i guanina (G) . Cukier wchodzący w skład DNA to deoksyryboza. DNA budują dwa łańcuchy polinukleotydowe, a więc jest dwuniciowy. Łańcuchy te są połączone za pomocą wiązań wodorowych. Nici DNA są względem siebie przeciwstawne, czyli antyrównoległe. Oznacza to, że koniec 3’ jednej nici znajduje się na tej samej wysokości końca 5’ drugiej nici i odwrotnie. Łańcuchy DNA są względem siebie komplementarne, a to znaczy, że nukleotyd adeninowy jednej nici jest zawsze związany z nukleotydem tyminowym drugiej nici podwójnym wiązaniem wodorowym, natomiast nukleotyd cytozynowy jednej nici jest związany z nukleotydem guaninowym drugiej nici, potrójnym wiązaniem wodorowym. Jest to tzw. zasada komplementarności, czyli parowania zasad azotowych. Kwas rybonukleinowy (RNA) składa się z jednego łańcucha polinukleotydowego, a więc w przeciwieństwie do DNA, jest jednoniciowy. Rybonukleotydy buduje cukier ryboza, a zamiast tyminy występuje uracyl.

10. Ogólny schemat metabolizmu: katabolizm, anabolizm

Katabolizm:

- prowadzi do rozpadu związków chemicznych na prostsze cząsteczki

- reakcja egzogeniczna uwalniająca energię

- substraty muszą być o wyższym poziomie energii a produkty o niższym

oddychanie tlenowe:

- warunkiem koniecznym jest obecność tlenu

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energia (ATP)

oddychanie beztlenowe:

- zamiast tlenu mogą być wykorzystane związki nieorganiczne np. azotany, siarczany

- prowadzą je tylko niektóre bakterie np. denitryfikacyjne

C6H12O6 + 12KNO3 → 6CO2 + 6H2O + 12KNO2 + energia (ATP)

- komórki niektórych grzybów i bakterii prowadzą reakcje przy niedoborze tlenu ale przy obecności związków organicznych (fermentacja)

- fermentacja alkoholowa: C6H12O6 → 2CO2 + 2C2H5OH + energia (ATP)

- fermentacja mlekowa: C6H12O6 → 2C3H6O3 + energia (ATP)

Anabolizm:

- reakcje w wyniku których z prostych substratów powstają związki złożone gromadzące energię

- część metabolizmu związana ze wzrostem tkanek organizmu

- procesy metaboliczne to podział na anaboliczne (wzrostowe) i kataboliczne (rozkładowe i zanikowe energii)

- proces wymaga dostarczenia energii, która umożliwia podniesienie poziomu energetycznego związków w czasie procesu chemicznego

- powstały produkt reakcji zawiera większą ilość energii niż substraty

- dostarczona energia jest zmagazynowana w postaci wiązań chemicznych

- procesy anaboliczne prowadzą do tworzenia i wzrostu organów i tkanek (związane z przyrostem masy i rozmiarów ciała)

przykłady:

* wzrost siły i masy mięśni,

*rozrost szkieletu,

* rośnięcie włosów i paznokci

- przeciwieństwo katabolizmu, oba procesy pozostają jednak w dynamicznej równowadze

- przy dojrzewaniu przewaga procesów anabolicznych

- przy niedożywieniu, stresie i nadmiernym wysiłku przewaga procesów katabolicznych

- komórka nie może realizować jednocześnie procesów anabolicznych i katabolicznych, służą do tego specjalne hormony (przełączają komórki na odpowiedni tryb za pomocą interakcji z receptorami na powierzchni błony komórkowej)

- endokrynologia to nauka o hormonach (anabolicznych i katabolicznych)

- hormony anaboliczne: estrogeny, adrenalina, glukagon, testosteron

hormony kataboliczne: kortyzol, insulina, hormon wzrostu, cytokina

Etapy oddychania tlenowego:

1) Glikoliza:

- ciąg reakcji prowadzących do powstania z jednej cząsteczki glukozy dwóch cząsteczek pirogronianiu

- dochodzi do redukcji NAD+ do NADH, a także do fosforylacji substratowej, czyli utworzenia ATP przez przeniesienie reszty fosforanowej z ufosforylowanego substratu

- jest przeprowadzana w cytoplazmie

2) Oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu (reakcja pomostowa)

-przekształcenie pirogronianu do reszty acetylowej związanej z koenzymem A (acetylo-CoA)

- wydzielany przez CO2, powstają zredukowane formy NADH

- reakcja pomostowa przeprowadzona jest w macierzy mitochondrialnej

3) Cykl Krebsa (cykl kwasów trój karboksylowych, cykl kwasu cytrynowego)

- cykliczny ciąg reakcji, którego pierwszym etapem jest dołączenie acetylo-CoA do czterowęglowego szczawiooctanu

-utworzony sześciowęglowy cytrynian ulega następnie szeregowi przemian, w tym dekarboksylacji (odłączany jest CO2)i dehydrogenacji (powstaje NADH oraz FADH2); podczas cyklu Krebsa zachodzi fosforylacja substratowa

- w efekcie następuje regeneracja szczawiooctanu

- cykl Krebsa jest przeprowadzany w macierzy mitochondrialnej

NA JEDNĄ CZĄSTECZKĘ GLUKOZY CYKL KREBSA MUSI WYKONAĆ DWA OBIEGI.

Jego funkcje (niektóre) są następujące: - dostarcza równoważników redukujących zamienianych w energię ATP w łańcuchu oddechowym,

- dostarcza energię w postaci GTP, - dostarcza ważnych prekursorów do syntezy innych cząsteczek.

Glikoliza, zysk energetyczny z procesu.

Et. 1. Fosforylacja glukozy: Glu + ATP --- heksokinaza glukozowa ---> glokozo-6-fosforan. 6-P-Glc może również powstać z 1-P-Glc (w wątrobie) w reakcji katalizowanej przez fosfomutazę glukozową.

Et. 2. Izomeryzacja: glukozo-6-fosforan --- izomeraza glukozofosforanowa ---> fruktozo-6-fosforan.

Et. 3. Fosforylacja fruktozy: fruktozo-6-fosforan --- fosfofruktokinaza ---> fruktozo-1,6-difosforan.

Et. 4. Rozszczepienie: fruktozo-1,6-difosforanu --- aldolaza ---> 3-fosforan gliceraldegidu i fosforan dihydroksyacetonu.

Et. 5. Izomeryzacja fosfodihydroksyacetonu do aldehydy 3-fosfoglicerynowego: katalizowana przez izomerazę tiozofosforanową.

Et. 6. Utlenienie aldehydu 3-fosfoglicerynowego do 1,3-difosfoglicerynianu katalizowane przez dehydrogenazę aldehydu fosfoglicerynowego.

Et. 7. Defosforylacja 1,3-difosfoglicerynianu do 3-fosfoglicerynianu katalizowana przez kinazę fosfoglicerynianową, w obecności Mg+. Et. 8. Przegrupowanie wewnątrzcząsteczkowe 3-fosfoglicerynianu do 2-fosfoglicerynianu katalizowane jest przez fosfogliceromutazę, w obecności Mg+.

Et. 9. Dehydratacja 2-fosfoglicerynianu do fosfoenolpirogronianu. Enzymem katalizującym jest enolaza.

Et. 10. Tworzenie pirogronianu. Enzymem katalizującym jest kinaza pirogronianowa. Spontaniczna przemiana formy enolowej do ketonowej pirogranianu.

B) Regulacja glikolizy.

Miejsce działania fosfruktokinazy (et. 3.) jest zasadniczym miejscem regulacji szybkości procesu glikolizy, gdyż podlega działaniu hamującemu efektorów: ATP, cytrinianu i wyższych kwasów tłuszczowych oraz aktywacji z udziałem ADP i AMP. Mianowicie duże stężenie ATP zmniejsza powinowactwo enzymu do fruktozo-6-fosforanu i hamuje allosteryczne jego aktywność. AMP zmniejsza hamowanie enzymu przez ATP, a cytrynian je zwiększa.

Tworzenie pirogronianu regulowane jest hormonalnie za pośrednictwem glukagonu, który jest syntezowany przy niskim poziomie glukozy we krwi.

C) Przemiany galaktozy i fruktozy.

Glukoza i fruktoza są jedynymi heksozami, mogącymi wejść bezpośrednio w przemianę glikolizy w tkance mięśniowej i tłuszczowej. Mannoza jest metabolizowana przy udziałe heksokinazy do 6-fosforanu mannozy, która ulega izomeryzacji do 6-fosforanu fruktozy i wchodzi do procesu glikoliza. W wątrobie fruktoza jest metabolizowana do 1-fosforanu fruktozy i specyficzna aldolaza rozkłada ten substrat do fosforanu dihydroksyacetonu i wolnego aldehydu glicerynowego.

11. Oddychanie komórkowe (fosforylacja oksydacyjna)

Fosforylacja oksydacyjna.

Fosforylacją oksydacyjną nazywamy proces syntezy ATP zachodzący w wyniku przeniesienia elektronów NADH lub FADH2 na tlen przez szereg przenośników elektronów. Ten proces, zachodzący w mitochondriach, jest głównym źródłem ATP u organizmów tlenowych. Przepływ elektronów z NADH lub FADH2 do tlenu przez kompleksy białkowe umiejscowione w wewnętrznej błonie mitochondriów powoduje wpompowanie protonów z matriks mitochondrialnej. Synteza ATP zachodzi na skutek przepływu protonów przez kompleks enzymatyczny z powrotem do matriks. Fosforylacja oksydacyjna stanowi punkt kulminacyjny szeregu przemian nazywanych oddychaniem komórkowym.

A w skrócie to tak:

A) Reakcje redoks. Fosforylacja oksydacyjna.

Fosforylacja oksydacyjna (utleniająca) to cykl reakcji przyłączenia reszty kwasu ortofosforowego do związków chemicznych połączona ze zmianą stopnia utlenienia atomu, do którego ta grupa bezpośrednio się przyłącza.

W organizmach żywych reakcja ta jest katalizowana przez enzymy zwane fosfotransferazami (kinazy), które transportują reszty kwasowe na białka, nukleotydy, cukry oraz lipidy. Związki, którym dostarczone zostają reszty fosforanowe, uzyskują wyższy poziom energetyczny.

Niezwykle istotną reakcją dla organizmów żywych jest fosforylacja kwasu ADP, dzięki której dochodzi do wytworzenia ATP co ma wielkie znaczenie dla regulacji gospodarki energetycznej w komórkach. Proces ten może zachodzić na drodze fosforylacji fotosyntetycznej, oksydacyjnej, substratowej. Ponadto proces fosforylacji przyczynia się do normowania procesów metabolicznych.

B) Łańcuch oddechowy.

Jest ostatnim etapem oddychania zarówno tlenowego jak i beztlenowego. W nim następuje wytworzenie największej ilości energii. Zachodzi na błonie mitochondrialnej.

Początkowo protony z cyklu kwasu cytrynowego transportowane przez NADH+H+ przechodzą na pierwszy element łańcucha oddechowego – mononukleotyd flawinowy (FMN) utleniając się do NAD+ i uwalniając dwa protony, od których odłączone zostają elektrony. Elektrony te poprzez centrum żelazowo-siarkowe (FeS) przekazywane są na ubichinon (koenzym Q - CoQ).

Kolejno koenzym Q migrując wewnątrz błony lipidowej transportuje dalej elektrony i przekazuje kolejną porcję protonów z FADH2 z matriks na kompleks III, gdzie cytochrom b poprzez kolejne centrum żelazowo siarkowe uwalnia protony do przestrzeni perymitochondrialnej a elektrony przekazuje na cytochrom c1. Stąd niewielki i mobilny, migrujący po powierzchni wewnętrznej błony mitochondrialnej cytochrom c odbiera elektrony i przekazuje je do dużego kompleksu białkowego (kompleks IV) o nazwie oksydaza cytochromu c. Jest to ostatni element transportu elektronów wzdłuż błony mitochondrialnej i ostatni element transportujący protony do przestrzeni peryplazmatycznej.

Kompleks ten składa się z 13 transbłonowych podjednostek białkowych, spośród których tylko pierwsze 3 biorą aktywny udział w transporcie elektronów i protonów, a w ich obszarze znajduje się kilka centrów aktywnych jak: cytochrom a zawierający hem a, cytochrom a3 zawierający hem a3 oraz jony metali. Hemy biorą udział w transporcie protonów i elektronów, natomiast jony metali biorą udział w utlenianiu jonów wodoru tlenem pochodzącym z wdychanego