Ad.1

METABOLIZM

(gr. metabole - przemiana) czyli przemiana materii. Ogół reakcji chemicznych zachodzących w organizmie żywym bądź bezpośrednio w plazmie komórek (metabolizm komórkowy), lub też w specjalnie do tego celu przeznaczonych jamach, wgłębieniach albo rurowatych przewodach.
Całokształt tych reakcji można podzielić na dwie grupy: asymilację, czyli przyswajanie i dysymilację.
Procesy asymilacji prowadzą do budowania białek, węglowodanów i tłuszczów (oraz innych skomplikowanych połączeń organicznych) ze związków prostszych, do czego niezbędne jest otrzymywanie energii z zewnątrz.
Dysymilacyjnymi nazywamy te reakcje, podczas których następuje daleko posunięty rozpad wielkich cząsteczek organicznych, przy czym uwalnia się energia zużywana przez ustrój do dalszych przekształceń chemicznych, ruchu, świecenia lub podnoszenia temperatury ciała. Między tymi dwoma krańcowymi procesami w organizmie odbywa się mnóstwo reakcji łańcuchowych lub cyklicznych, których konsekwencją są wszystkie skomplikowane zjawiska zachodzące w ciele istot żywych.
METABOLIZM KOMÓRKOWY - całokształt reakcji chemicznych zachodzących w komórkach żywych organizmów, łącznie z towarzyszącymi im przemianami energetycznymi. Na metabolizm składają się procesy kataboliczne i anaboliczne. W wyniku ich połączenia zawartość związków chemicznych utrzymuje się w komórce na stałym poziomie, zależnie od jej stanu czynnościowego, mimo że stale pewna część tych związków ulega rozpadowi i odnowie.

Metabolizm, przemiana materii - całokształt przemian biochemicznych i towarzyszących im przemian energii, zachodzących w komórkach żywych organizmów i stanowiących podłoże wszelkich zjawisk biologicznych. Reakcje metaboliczne dzieli się na katabolizm (rozkład z wydzieleniem energii) i anabolizm (synteza prowadząca do wzrostu masy tkanek).

Anabolizm to reakcje syntez związków bardziej złożonych z prostszych, wymagające dostarczenia energii. Energia ta umożliwia podniesienie poziomu energetycznego związków w czasie procesu chemicznego. Powstający w ten sposób produkt rekcji zawiera większą ilość energii, niż substraty. Dostarczona energia zostaje zmagazynowana w postaci wiązań chemicznych.

Procesy anaboliczne prowadzą do tworzenia i wzrostu organów i tkanek, są więc związane z ogólnym wzrostem masy i rozmiarów ciała. Typowymi przykładami tego rodzaju procesów jest wzrost siły i masy mięśni, rozrost szkieletu, rośnięcie włosów i paznokci.

Katabolizm, ogół reakcji chemicznych metabolizmu prowadzący do rozpadu złożonych związków chemicznych na prostsze cząsteczki. Reakcja egzoenergetyczna, uwalniająca energię, substraty muszą być o wyższym poziomie enegii, a produkty o niższym, np. reakcja rozkładu, oddychania.

Ze względu na to, że pojedyncze komórki tworzące tkanki nie mogą jednocześnie realizować procesów anabolicznych i katabolicznych, w organizmach zwierząt i ludzi występują specjalne hormony, które sterują tymi procesami, poprzez "przełączanie" komórek w tryb anaboliczny lub kataboliczny, za pomocą interakcji ze specjalnymi receptorami rozsianymi na powierzchni ich błon komórkowych. Endokrynologia, nauka zajmująca się hormonami tradycyjnie dzieli hormony na anaboliczne i kataboliczne.

Do hormonów anabolicznych zaliczają się m.in:

Hormon wzrostu

Insulina

Testosteron

Estrogeny

Do hormonów katabolicznych zaliczają się natomast:

Kortyzol

Glukagon

Adrenalina

Cytokina

Szlaki metaboliczne -

Ad.2

Aminokwasy białkowe - Białka zbudowane są z reszt aminokwasowych połączonych wiązaniami peptydowymi. Ze wszystkich znanych białek wyodrębniono tylko 25 aminokwasów tzw. białkowych.

Konfiguracja grup związanych z atomem węgla a jest dla wszystkich aminokwasów białkoweych taka sama i oznacza się ją jako L. Wszystkie aminokwasy białkowe są więc L-alfa-aminokwasami.

Wyróżniamy:

Aminokwasy egzogenne - są to aminokwasy, które nie są syntezowane w organizmie ludzkim, a ich obecność i odpowiednie stężenie w białkach spożywczych decyduje o wartości odżywczej. (Walina, leucyna, lizyna, metionina, treonina, fenyloalanina, tryptofan, arginina, histydyna)

Aminokwasy endogenne są to aminokwasy, które są syntezowane w organizmie ludzkim. (Glicyna, alanina, tyrozyna, kwas asparaginowy, kwas glutaminowy, glutamina, prolina, cysteina, hydroksyprolina)

Aminokwasy glikogenne - aminokwasy, których metabolizmprowadzi do wytwarzania glukozy (sacharydów).

Aminokwasy ketogenne - aminokwasy których metabolizm prowadzi do wytwarzania związków ketonowych.

 

kwas glutaminowy

Ad.3

Właściwości fizyczne aminokwasów : - barwa biała
- subst. krystaliczna ; - wysoka temperatura wrzenia
- jonowy charakter ; - dobrze rozpusz. się w wodzie.
Właściwości chemiczne aminokwasów : - Reagują z kwasami i zasad. wykazując charakter amfoteryczny.
- JONY OBOJNACZE są kationami i anionami, a ich "+" i "-" ładunki wzajemnie się równoważą.
- Zdolne są do łączenia się cząst. za pomocą gr.funk.
Są to reakcje Kondensacji, w wyniku których powstają tzw. PEPTYDY.
- Niektóre aminokwasy otrzymuje się na skalę przemysłową, należą do nich przede wszystkim :
KWAS GLUTAMINOWY, LIZYNA i metionina.

Ad.5

Aminokwasy niebiałkowe, aminokwasy występujące w komórkach głównie roślin i mikroorganizmów, w postaci nie związanej z białkami. Są homologami, izomerami (izomeria) lub pochodnymi aminokwasów białkowych.
Przykładem aminokwasu niebiałkowego u roślin jest allicyna, u zwierząt nieliczne, np. beta-alanina czy tauryna. U mikroorganizmów występują jako produkty metabolizmu i są składnikami antybiotyków (np. D-seryna, D-leucyna). Niektóre z aminokwasów niebiałkowych roślin mogą wywoływać zaburzenia u zwierząt.

ALLICYNA, pochodna aminokwasu alliny (niebiałkowe aminokwasy) należąca do fitoncydów; występuje w roślinach gł. w czosnku i cebuli; ma charakterystyczny zapach, działa silnie bakteriobójczo.

Tauryna - aminokwas o wzorze C₂H₇NO₃S, ważny dla mięśni i w zaburzeniach serca, wspomaga trawienie tłuszczów (znajduje się w żółci), pomaga w hipoglikemii i nadciśnieniu, jest związana z epilepsją i niepokojem.

Tauryna jest składnikiem wielu napojów energetyzujących i odżywek dla sportowców. Dodatkowo powoduje pobudzenie sieci neuronowych.

Tauryna jest aminokwasem powstajacym z metioniny i cysteiny.

Najważniejsze zalety tauryny to:

- magazynowanie azotu (powoduje dodatni bilans azotowy)

- działanie antykataboliczne

- ograniczenie wytwarzanie serotoniny, hormonu katabolicznego, co pozwala też na dłuższy wysiłek bez zmęczenia - zmniejsza poziom cukru we krwi - wspomaga syntezę białek - reguluje poziom cholesterolu w krwi; - wzmaga transport kreatyny

- naśladuje hormon anaboliczny insulinę, transportując aminokwasy i składniki odżywcze do krwi co ułatwia ich przyswajanie.

Ad.6

są to polimery aminokwasów białkowych połączony ze soba wiazaniami peptydowymi, w ktorych liczba reszt aminokwasowych przekracza 100. Głównymi pierwiastkami wchodzącymi w skład białek są C,O,H,N,S, także P, oraz niekiedy jony Mn, Zn, Mg, Fe, Cu, Co i inne.

Właściwości fizykochemiczne białek
Białka nie posiadają charakterystycznej dla siebie temperatury topnienia. Na ogół rozpuszczalne w wodzie. Niektóre z nich mogą rozpuszczać się w rozcięczonych kwasach lub zasadach, jeszcze inne w rozpuszczalnikach organicznych. Posiadają zdolność wiązania cząsteczek wody. Efekt ten nazywamy hydratacją.
Na rozpuszczalność polipeptydów ma wpływ stężenie soli nieorganicznych. Ich małe stężenie wpływa dodatnio na rozpuszczalność . Jednak przy pewnym stężeniu następuje uszkodzenie otoczki solwatacyjnej, co powoduje wypadanie białek. Proces ten nie narusza strukturę białka, jest on odwracalny. Nosi on nazwę wysalanie białek.
Innym procesem jest wypadanie białek z roztworów pod wpływem soli metali ciężkich, mocnych kwasów i zasad, wysokiej temperatury, niskocząsteczkowych alkoholi i aldehydów- jest to wytrącanie w sposób nieodwracalny. Zjawisko to nosi nazwę denaturacji białek. Wywołuje ono zmiany w strukturze drugo- i trzeciorzedowej. Następuje rozerwanie wiązań wodorowych i rozerwanie mostków disiarczkowych.

1. nie posiadają charakterystycznej dla siebie temperatury topnienia

2. ulegają nieodwracalnej denaturacji (zmiana struktury po ktorej białko jest niaktywne)

3. tylko białka proste mogą ulegać renaturacji

4. białka są rozpuszczalne w wodzie (oprocz białek fibrylarnych)

5. białka fibrylarne są rozpuszczalne przez rozpuszczalniki organiczne

6. białka ulegają wysalaniu

7. posiadają zdolność hydratacji - wiązania cząsteczek wody

8. są buforami - Białka, ze względu na obecność grupy NH₂ oraz COOH mają dwojaki charakter - w zależności od pH roztworu będą zachowywały się jak kwasy (w roztworze zasadowym) lub jak zasady (w roztworze kwaśnym). Dzieki temu białka mogą pełnić rolę bufora stabilizującego pH, np. krwi. Różnica pH nie może być jednak znaczna, gdyż białko może ulec denaturacji.

Na rozpuszczalność białek ma wpływ stężenie soli nieorganicznych w roztworze, przy czym małe stężenie soli wpływa dodatnio na rozpuszczalność białek. Jednak przy większym stężeniu następuje uszkodzenie otoczki solwatacyjnej, co powoduje wypadanie białek z roztworu. Proces ten nie narusza struktury białka, więc jest odwracalny. Nosi też nazwę "wysalanie białek".

Ad.8

Struktura pierwszorzędowa, zwana również struktura pierwotną- określa sekwencię (kolejność) aminokwasów wchodzacych w skład liniowego łańcucha polipeptydowego uwarunkowanego genetycznie.

Struktura pierwszorzędowa - czyli najniższy poziom organizacji strukturalnej cząsteczki jest wyznaczona przez sekwencję aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym. Jest ona uwarunkowana jeszcze zanim zostanie zsyntetyzowany łańcuch polipeptydowy, gdyż informacja o kolejności aminokwasów w cząsteczce białka jest zakodowana w DNA, w postaci sekwencji nukleotydowej. Dzięki procesom transkrypcji, a póˇniej translacji sekwencja nukleotydowa zostaje odczytana w trakcie syntezy odpowiedniego polipeptydu.

Pierwszorzędowa struktura- białka to wielocząsteczki zbudowane z około 20 różnych aminokwasów. Połączone wiązaniami peptydowymi. Kolejność aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym czyli ich sekwencja noszą nazwę struktury 1-rzedowej lub białka. Gly-Ala-Cys-; Ala-Ala-Gly-Cys
Wtórna struktura białek-Różne usytułowanie łańcucha polipeptydowego w przestrzeni decyduje o wtórnej strukturze białka. W utrwalaniu struktury wtórnej uczestniczą wiązania. Wiązanie uczestniczące w utrwalaniu struktury wtórnej: wodorowe, di siarczkowe, jonowe, estrowe, bioestrowe.
Struktura 2-rzędowa a- w/w wiązania mogą tworzyć się w obrębie 1-ego łańcucha. Wówczas wiązania polipeptydowe układają się wzdłuż prawoskrętnej lini śrubowej. Taki kształt łańcucha polipeptydowego nazywa się spiralą a-heliks. Wiązania peptydowe leżą w tym przypadku w 1-ej płaszczyźnie. A wiązania wodorowe tworzą się odpowiednio pomiędzy grupami sąsiednich skrętów spiralnych.
Struktura 2-rzędowa b-Wiązania mogą tworzyć się między grupami występującymi w różnych , ale położonych obok siebie łańcuchów polipeptydowych. Podstawowy model nazywa się rusztem peptydowym. Nie oddaje on jednak struktury cząsteczki białka. Ponieważ grupy węglowodorowe R są zbyt duże żeby tworzyć ruszt w którym łańcuch znajdowałby się w 1-ej płaszczyźnie (płaszcz. kartki). Jeżeli jednak kartkę z narysowanym modelem zagnie się wzdłuż lini >CH-R to grupy R będą ustawione prostopadle do płaszczyzny a otrzymany model będzie obrazem struktury białek o budowie włóknistej. Taki model nazywamy modelem pofałdowanej kartki lub harmonijki,

• Struktura drugorzędowa białka - są to lokalne struktury powstające w wyniku tworzenia się wiązań wodorowych pomiędzy tlenem grupy >C=O, a wodorem grupy -NH, dwóch niezbyt odległych od siebie w łańcuchu wiązań peptydowych. Do struktur drugorzędowych zalicza się:

• helisę - gł. helisę alfa (ang. α helix)

• różne rodzaje beta harmonijki lub "pofałdowanej kartki" (ang. β sheet)

• skręty (ang. turn)

• Struktura trzeciorzędowa białka - Wzajemne położenie elementów struktury drugorzędowej stabilizowane przez oddziaływania reszt aminokwasowych oraz tworzenie mostków dwusiarczkowych -S-S-, powstających pomiędzy dwiema resztami cysteiny w łańcuchu.

• Struktura czwartorzędowa białka - opisuje liczbę i wzajemne ułożenie podjednostek cząsteczkowych (pojedynczych łańcuchów) białek.

 Struktura drugorzędowa- jest to układ przestrzenny wynikajacy z istnienia wiązań wodorowych po między tlenem grupy -C=O, a wodorem grupy -NH dwóch różnych wiazań peptydowych. tej strukturze odpowiada budowa zwinięcia łańcuch polipepydowego w prawoskrętną heliksę lub tzw. "pofałdowana kartka"- gdy łańcuchy peptydowe są ułozone równolegle do siebie i łączą się wiązaniami wodorowymi.

 Struktura trzeciorzędowa- charakterystyczne dla tego układu jest pofałdowanie łańcuchów polipeptydowych w przestrzeni (skrecanie łańcucha polipeptydowego) . Ogromna rolę w powstawaniu tej struktury odgrywa wiązanie disiarczkowe -S-S- , które powstaje pomiędzy dwoma resztami cysteiny w tym samym łańcuch lub łączące dwa różne łańcuch.

 Struktura czwartorzędowa- opisuje ilość i wzajemne ułozenie podjednostek cząsteczkowych (pojedyńczych łańcuchów) białek.

Ad.9

Wartość odżywcza białek
Białka pokarmowe mają różną wartość odżywczą, której wykładnikiem jest stopień zużytkowania ich do syntezy własnych białek ustrojowych. Te białka, których wykorzystanie na ten cel jest małe (np. białka zbóż), uznawane są za białka o niskiej wartości odżywczej, inne (np. białka mleka) ustrój wykorzystuje prawie całkowicie, dlatego są one białkami o wysokiej wartości odżywczej. Jakość białka pokarmowego, czyli jego wartość odżywcza (albo wartość biologiczna) zależy od czterech czynników:
" zawartości aminokwasów egzogennych i aminokwasów endogennych;
" wzajemnych proporcji poszczególnych aminokwasów egzogennych, które powinny być zbliżone do proporcji występującej w białkach ustrojowych;
" wystarczającego dowozu energii niezbędnej do procesów syntezy białka ustrojowego ze źródeł pozabiałkowych;
" strawności produktów białkowych.

Skład aminokwasowy białka jaja kurzego(owoalbumina) i białka mleka kobiecego (laktoalbumina) jest najbardziej zbliżony do składu białek ustrojowych i białka te są najlepiej wykorzystywane przez organizm człowieka. Dlatego proporcje między poszczególnymi aminokwasami, wchodzącymi w skład tych dwóch białek, uznano za optymalne, stanowiące wzorzec do porównywania jakości innych białek (wartość odżywcza = 100%). Istotnym czynnikiem wyznaczającym wykorzystanie białka do celów budulcowych jest zapewnienie odpowiedniego dowozu energii. Z obliczeń fizykochemicznych wynika, że do syntezy 1 g białka z aminokwasów dostarczanych z pokarmem ustrój człowieka potrzebuje 24 kcal (100 kJ) energii, której źródłem powinny być tłuszcze lub węglowodany. W przeciwnym razie organizm wykorzysta do celów energetycznych część aminokwasów, wydatnie umniejszając ich pulę przeznaczoną do syntezy nowego białka ustrojowego, a tym samym obniżeniu ulegnie wartość biologiczna danego białka pokarmowego. Z tego względu konieczne jest zachowanie odpowiedniego stosunku ilości energii dostarczanej w postaci białka do ogólnej wartości energetycznej diety, określanego jako odsetek energii z białka. W okresie wzrostu maksymalne wykorzystanie białka pełnowartościowego uzyskuje się przy udziale 12-14% energii z białka, a u ludzi dorosłych przy udziale 10-12% energii z białka w całkowitej wartości energetycznej diety.
Jakość białka jest również determinowana przez stopień jego rozkładu enzymatycznego w toku procesów trawienia (strawność). Nawet najbardziej wartościowe białko nie zostanie bowiem wykorzystane przez ustrój, jeżeli nie ulegnie całkowitemu strawieniu, a uwolnione aminokwasy nie zostaną wchłonięte w jelicie cienkim. Ma to szczególne znaczenie przy ocenie jakości posiłków, będących mieszaniną różnych surowych i przetworzonych produktów żywnościowych. Strawność białka tych produktów zależy od jego budowy trzeciorzędowej, interakcji z innymi składnikami pokarmowymi, sposobu przechowywania i przetwarzania, a także od technologii przygotowania posiłku.
Ocena wartości odżywczej poszczególnych białek, białkowych produktów żywnościowych i poszczególnych posiłków ma duże znaczenie praktyczne. Umożliwia z jednej strony właściwe zestawianie całodziennego wyżywienia (jadłospisu) tak, aby pokrywało ono w sposób optymalny indywidualne zapotrzebowanie na białko, a z drugiej - ustalenie odpowiedniej strategii pozyskiwania i użytkowania białka zarówno ze źródeł konwencjonalnych, jak i niekonwencjonalnych. Wobec istnienia wielu sposobów oceny wartości odżywczej białka dąży się do ustalenia standardowych i porównywalnych metod oznaczania jego jakości.

Metody oceny wartości odżywczej (jakości) białka najogólniej dzieli się na metody chemiczne i biologiczne.

Metody chemiczne opierają się na oznaczeniu składu aminokwasowego danego białka, posiłku lub całodziennej diety (po uprzedniej ich hydrolizie) lub na określeniu ilości poszczególnych aminokwasów za pomocą tabel zawartości aminokwasów w produktach żywnościowych. W tym drugim przypadku chemiczne metody oceny wartości odżywczej białka umożliwiają w sposób prosty i stosunkowo szybki uzyskanie informacji o jakości danego białka, chociaż jest to informacja nie do końca precyzyjna, gdyż nie bierze pod uwagę czynników biologicznych związanych z ustrojem (np. strawności danego białka).
Założeniem chemicznej metody oceny jakości białka jest porównanie składu aminokwasowego badanego białka ze składem białka wzorcowego, które teoretycznie powinno pokrywać zapotrzebowanie na aminokwasy u ludzi w różnym wieku, z wyjątkiem niemowląt (tab. 4.3.4). Opierając się na tych przesłankach Komitet Ekspertów FAO/WHO jako wzorzec przyjął w 1965 roku białko całego jaja kurzego, którego skład zmodyfikował w 1973 roku, ustalając tzw. prowizoryczne białko wzorcowe (FAO 1973). Dla niemowląt najwłaściwszym białkiem wzorcowym jest białko mleka kobiecego, a dla zwierząt białko jaja lub mleka krowiego. W 1991 roku Komitet Ekspertów powtórnie zmodyfikował skład białka wzorcowego, biorąc pod uwagę nowe dane wynikające z aktualnego stanu wiedzy. Skład ten uznawany jest obecnie za najodpowiedniejszy do oceny białka w żywieniu wszystkich grup ludności.

Tabela 4.3.4. Skład aminokwasowy białek wzorcowych (w mg/g N)

Nazwa aminokwasu	Białko mleka krowiego	Białko mleka kobiecego	Wzorcowe białko jaja	Prowizoryczne białko wzorcowe FAO 1973	Białko wzorcowe FAO 1991
Izoleucyna	294	288	415	250	175
Leucyna	594	581	553	440	412
Lizyna	488	416	403	340	362
Metionina + Cysteina	206	263	346	220	156
Fenyloalanina + Tyrozyna	637	450	627	380	393
Treonina	275	268	317	250	212
Tryptofan	88	106	100	60	69
Walina	400	344	454	310	218
Suma aminokwasów egzogennych	2982	2714	3215	2250	1997

Przy określaniu jakości białka metodą chemiczną wykorzystuje się pojęcie tzw. aminokwasu ograniczającego, tj. aminokwasu egzogennego, który w danym białku lub posiłku występuje w najmniejszej ilości w porównaniu do wzorca. Aminokwas ten ogranicza wykorzystanie innych aminokwasów z pożywienia do syntezy białka ustrojowego w takim stopniu, w jakim stanowi odsetek zawartości tego samego aminokwasu w białku wzorcowym. Jeśli np. w danym posiłku znajduje się tylko 70% metioniny w przeliczeniu na 1 g azotu w porównaniu z białkiem wzorcowym, to tylko 70% aminokwasów będzie z niego zużytkowanych do syntezy własnego białka ustrojowego. Wartość odżywcza lub jakość białka w tym posiłku wyniesie więc 70% (jakość białka wzorcowego wynosi 100%).
Do najczęściej używanych metod chemicznej oceny wartości odżywczej białek należą:
" Chemiczny miernik jakości białka CS (Chemical Score), inaczej wskaźnik aminokwasu ograniczającego (WAO). Określa on stosunek zawartości egzogennego aminokwasu ograniczającego w testowanym białku do zawartości tego samego aminokwasu w białku wzorcowym
" Zintegrowany wskaźnik aminokwasów egzogennych - EAA (Essential Amino Acids Index). Jest to średnia geometryczna stosunku zawartości wszystkich aminokwasów egzogennych oraz histydyny i argininy w białku badanym do zawartości tych aminokwasów w białku wzorcowym

Metody biologiczne stosowane w ocenie wartości odżywczej białka zakładają wykorzystanie do badań żywego ustroju. Mimo że najbardziej miarodajną metodą byłoby przeprowadzenie jej na człowieku (np. przez badanie bilansu azotowego przy różnym spożyciu białka), to jednak ze względów praktycznych do tego celu zwykle używa się zwierząt laboratoryjnych, najczęściej młodych, rosnących szczurów.

Metody biologiczne polegają bądź na pomiarze przyrostu masy ciała młodych zwierząt karmionych testowanym białkiem, bądź na oznaczaniu ilości zatrzymanego azotu w ciele tych zwierząt. Do najbardziej rozpowszechnionych wskaźników wyznaczanych w ten sposób należą:
" Wydajność wzrostowa białka - PER (Protein Efficiency Ratio). Określa przyrost masy ciała na 1 g spożytego białka, przy karmieniu 21-30-dniowych szczurów przez 6 tygodni testową dietą o zawartości białka 10-12% (tj. poniżej wielkości zapotrzebowania na wzrost)
" Retencja białka netto NPR (Net Protein Retention) jest to modyfikacja współczynnika PER, uwzględniająca potrzeby białkowe ustroju konieczne do utrzymania równowagi azotowej, ocenianej różnicą między przyrostem masy ciała zwierząt żywionych dietą białkową a ubytkiem masy ciała zwierząt karmionych dietą bezbiałkową:
" Względna wartość białka RPV (Relative Protein Value). Współczynnik ten określa iloraz współczynnika regresji PER dla 3 różnych stężeń badanego białka w diecie, znacznie mniejszych od zapotrzebowania wzrostowego (2, 5 i 6%) i współczynnika regresji PER, oznaczonego w wyniku równolegle prowadzonego doświadczenia, w którym zwierzęta karmi się przez 2 tygodnie białkiem wzorcowym (laktoalbuminą lub kazeiną).
" Wartość biologiczna białka (WBB) - BV (Biological Yalue). Określa tę część wchłoniętego azotu (białka), która została zatrzymana w ustroju w celu pokrycia potrzeb endogennej przemiany azotu do utrzymania zrównoważonego bilansu azotowego lub pokrycia potrzeb syntezy białka w okresie wzrostu. Ocenia sieją na podstawie bilansu azotowego, przy uwzględnieniu poprawek na ilość azotu wydalonego z kałem i moczem w okresie karmienia dietą bezbiałkową:
" Wykorzystanie białka netto (WBN) - NPU (Net Protein Utilisation). Określa ilość azotu zatrzymanego w ustroju młodych 21-30-dniowych szczurów. Wyraża się ją jako różnicę między ilością azotu oznaczoną w tuszkach zwierząt karmionych przez 10 dni dietą z badanym białkiem a ilością azotu w tuszkach szczurów otrzymujących przez ten sam czas dietę bezbiałkową, w odniesieniu do ilości azotu spożytego:
" Wskaźnik bilansu azotowego K. Określa stosunek przyrostu bilansu azotowego do przyrostu azotu zawartego w dietach, które powodują nieznacznie ujemny, zerowy lub nieznacznie dodatni bilans azotowy. Wyniki oblicza się na podstawie pomiaru kąta nachylenia krzywej uzyskanej empirycznie lub obliczenia współczynnika regresji.

Do najczęściej używanych metod biologicznych oceny wartości odżywczej białka należy wskaźnik PER oraz współczynnik NPU. Porównanie metod chemicznych z biologicznymi nie wykazuje pełnej zgodności. Jest to związane z nieuwzględnianiem strawności testowanych białek i dostępności z nich niektórych aminokwasów, np. lizyny. Największą zgodność między wskaźnikiem CS i NPU uzyskuje się dla produktów nieprzetwarzanych, zwłaszcza, gdy aminokwasem ograniczającym jest metionina lub walina. Na ogół wartości wskaźnika aminokwasu ograniczającego CS są dla danej mieszaniny białek niższe od oznaczonego współczynnika NPU.

Ad.13

Enzymy zbudowane są z gr. niebiałkowej i gr. białkowej. Grupa białkowa to apoenzym, który posiada centrum aktywne. Grupa niebiałkowa to kofaktor lub gr. prostetyczna. Koenzymy spełniają rolę przenośników elektronów, atomów lub grup chemicznych. Biorą one udział w 2 kolejnych reakcjach enzymatycznych: w pierwszej pobierają z jednego substratu grupę chemiczną, w drugiej oddają ją drugiemu substratowi, odtwarzając się w pierwotnej postaci, po czym proces się powtarza; połączenie koenzymów z przenoszoną grupą chemiczną odznacza się dużą reaktywnością. Dzięki cykliczności procesu przenoszenia koenzymy mogą występować w żywej komórce w ilościach równoważnych ilościom enzymów, choć reagują z substratami stechiometrycznie. Trwałość połączenia apoenzymu w koenzymami jest różna; jeśli koenzym łatwo dysocjuje, reakcje przenoszenia grup chemicznych na koenzymy i z koenzymów katalizuje układ złożony z 2 enzymów o wspólnym koenzymie; jeśli koenzym jest związany z enzymem trwale, enzym ten katalizuje kolejno obie reakcje.

W czasie katalizy enzymatycznej cząsteczka substratu jest wiązana w określonym obszarze cząsteczki enzymu w tzw. centrum aktywnym, w którym w enzymach złożonych znajduje się grupa prostetyczna; tworzy się wówczas kompleks enzym-substrat. Dzięki swoistemu układowi grup chemicznych w centrum, enzym oddziałuje na grupy chemiczne substratu rozluźniając określone wiązanie chemiczne. Po powstaniu produktów reakcji cząsteczka enzymu uwalnia się z kompleksu i po powrocie do formy pierwotnej (w enzymach złożonych po przyłączeniu przenoszonych grup do innego związku) tworzy nowy kompleks z następną cząsteczką substratu itd. 
Wyróżniamy dwa typy mechanizmów łączenia się enzymu z substratem:

-model klucza i zamka - gdzie enzym, tzn. jego miejsce aktywne, musi być dopasowany swoim kształtem do substratu by móc przekształcić go w produkt. Teoria ta jednak ma już tylko znaczenie historyczne 

- model  indukowanego dopasowania -mechanizm opierający się na dopasowaniu kształtu enzymu do substratu lub odpowiedniej grupy substratów i przekształceniu ich w produkty. Poza tym enzym może zniekształcić substrat wymuszając w nim konformację podobną do stanu przejściowego. Przykładem może być związanie glukozy z heksokinazą. 

Ad.15

Szybkość procesu enzymatycznego zależy od łatwości tworzenia kompleksu enzymu z substratem (powinowactwo enzymu do substratu).

Model  Michaelisa - Menten opiera się na następującej koncepcji katalizy enzymatycznej:

K_m dla poszczególnych substratów danego enzymu mają różne wartości; prawdopodobnie w żywych komórkach stężenie danego substratu jest bliskie jego wartości K_m (10^-3 - 10^-7), gdyż wówczas szybkość reakcji jest wprost proporcjonalna do stężenia substratu, co ułatwia utrzymanie stałej, właściwej dla komórki wartości tego stężenia.

Ad.16

Stała Michaelisa K_m to wielkość liczbowa, określająca stężenie substratu (w molach na litr roztworu), przy którym szybkość reakcji enzymatycznej jest równa połowie szybkości maksymalnej, osiąganej przy wysyceniu enzymu substratem i niezależnej już od dalszego wzrostu jego stężenia.

Vmax jest to szybkość maksymalna..................................

Ad.17

Szybkość reakcji zależy nie tylko od stężenia enzymu i substratu, lecz także od:

- temperatury (optimum działania enzymu zwykle mieści się w granicach 30-40°C), 
- stężenia jonów wodorowych (optymalne pH reakcji jest różne dla różnych enzymów, np. dla pepsyny wynosi 1, dla arginazy — 10) 
- obecności enzymatycznych aktywatorów i enzymatycznych inhibitorów. 

Ad.19

   1. OKSYDOREDUKTAZY (np. dehydrogenazy, oksydazy) - przenoszą elektrony i protony do odpowiedniego akceptora, enzymy katalizujące reakcje, w których dochodzi do zmiany stopnia utlenienia, na przykład: dehydrogenaza mleczanowa uczestnicząca w wątrobie w pozbywaniu się szkodliwego kwasu mlekowego i oksydaza L-aminokwasowa bezpośrednio utleniająca aminokwasy w mikrociałkach.
    2. TRANSFERAZY (np. aminotransferazy, acetylotransferazy, kinazy) - przenoszące określoną grupę chemiczną (np. aminową, acetylową) z jednego związku do drugiego, czyli katalizujące reakcje przenoszenia grup funkcyjnych z jednej cząsteczki na drugą, na przykład: transaminaza glutaminianowa przenosząca grupę aminową na ketoglutaran przez co powstaje m. in. kwas glutaminowy i syntaza laktozowa przenosząca w gruczołach mlecznych ssaków galaktozę na glukozę przez co powstaje laktoza.
    3. HYDROLAZY (np. proteazy, celulaza, inwertaza) - rozkładające substrat hydrolitycznie, z jednoczesnym przyłączeniem cząsteczki wody. Zazwyczaj są to białka proste przeprowadzające reakcje rozpadu z udziałem wody. Enzymy te rozkładają wiązania w cząsteczkach używając wody - (hydroliza wiązań peptydowych, glikozydowych, estrowych), np.: wszystkie enzymy trawienne układu pokarmowego.
    4. LIAZY (np. dekarboksylazy aminokwasów) odszczepiające pewne grupy od substratu bez udziału wody, czyli katalizują reakcje rozpadu bez udziału wody, przy czym tworzą się zazwyczaj wiązania podwójne, np.: dekarboksylaza pirogronianowa odpowiedzialna za pgronianu dwutlenku węgla, w wyniku czego powstaje aldehyd octowy (fermentacja alkoholowa).
    5. IZOMERAZY - przeprowadzają reakcje przegrupowań wewnątrzcząsteczkowych, czyli przebudowują strukturę cząsteczki bez zmiany jej składu atomowego, np.: izomeraza cytrynianowa katalizująca reakcję przekształcania cytrynianu w izocytrynian (cykl Krebsa).
    6. LIGAZY (syntetazy) - katalizujące tworzenie nowych wiązań, czyli łączenie się dwóch cząsteczek (reakcje syntezy).

Ad.20

Oprócz enzymów z jednym centrum aktywnym mamy także enzymy allosteryczne. Są to związki mające więcej niż jedno miejsce aktywne, które to miejsca kooperatywnie wiążą cząsteczki substratu, dzięki czemu związanie substratu w jednym miejscu aktywnym indukuje w enzymie zmianę konformacyjną, zmieniającą powinowactwo do substratu w innych miejscach aktywnych. Ten typ enzymów może występować w formie białka  złożonego z wielu podjednostek, z których każda ma miejsce aktywne. Poza tym enzymy allosteryczne mogą być kontrolowane przez cząsteczki efektorowe (aktywatory i inhibitory), które wiążą się do innych miejsc niż miejsca aktywne i zmieniają szybkość aktywności enzymatycznej.

Ad.21

Pewne inhibitory enzymów są normalnymi metabolitami komórkowymi, które hamują dany enzym w ramach naturalnej metabolicznej kontroli  odpowiedniego szlaku. Inne inhibitory mogą być substancjami obcymi dla organizmu, takimi jak toksyny i leki, i w tym przypadku hamowanie enzymu może mieć działanie terapeutyczne , ale również letalne. 
Rozróżnia się dwa główne typu inhibicji : 
  - nieodwracalną
  - odwracalną 
            Inhibicję odwracalną można podzielić na:

1) kompetycyjną 
2) niekompetycyjną

Inhibicja nieodwrcalna polega na wiązaniu się inhibitora i enzymu w sposób trwały , nieodwracalny, często tworząc wiązania kowalencyjne z resztami aminokwasów, znajdującymi się w miejscu aktywnym lub jego pobliżu i w ten sposób inaktywują enzym na stałe. W wiązaniu tym biorą udział reszty Ser i Cys mające , odpowiednio, reaktywne grupy -OH i -SH . 
Przykładem może być  związek diizopropylofluorofosforan ( DIPF) , składnik gazów bojowych (soman) działający na układ nerwowy, reaguje z resztą Ser w miejscu aktywnym enzymu esterazy acetylocholinowej, nieodwracalnie hamując enzym i uniemożliwiając przekazywanie impulsów nerwowych.

Inhibitor kompetycyjny jest zazwyczaj strukturalnie podobny do normalnego substratu danego enzymu. Dzięki temu współzawodniczy z cząsteczkami o wiązanie się z miejscem aktywnym. Enzym może się wiązać albo z cząsteczkę substratu, albo cząsteczkę inhibitora, ale nie z obiema  jednocześnie. Inhibitor kompetycyjny wiąże się z miejscem aktywnym odwracalnie. 
Przy dużych stężeniach substratu działanie inhibitora kompetucyjnego zostaje przezwyciężone , ponieważ duże stężenie substratu  będzie z powodzeniem współzawodniczyć z cząsteczką inhibitora o wiązanie się w miejscu aktywnym. Nie nastąpi więc żadna zmiana w wartości V_max enzymu , ale w obecności inhibitora kompetycyjnego zmniejsza się powinowactwo enzymu do jego substratu i dlatego wratośc K_m wzrasta.
Przykładem hamowania kompetycyjnego może być dehydrogenaza bursztynianowa.
Enzum ten używa bursztyniany jako substratu i jest hamowany kompetycyjnie przez malonian, który różni się od bursztynianu posiadniem tylko jednej, a nie dwóch grup metylenowych.

Inhibitor niekompetycyjny wiąże się odwracalnie w innym miejscu enzymu niż jego miejsce aktywne i powoduje zmianę przestrzennego kształtu enzymu, co prowadzi do zmniejszenia aktywności katalitycznej. Ponieważ inhibitor wiąże się w innym miejscu niż substrat, enzym może wiązać albo inhibitor, albo substrat równocześnie. 
Efektu inhibitora niekompetycyjnego nie można przezwyciężyć przez zwiększanie stężenia substratu i dlatego zmniejsza się wartość V_max . W inhibicji niekompetycyjnej powinowactwo enzymu do substratu pozostaje nie zmienione, a więc wartość K_m nie zmienia się .
Przykładem inhibicji niekompetycyjnej jest działanie pepstatyny na enzym reninę .

Ad.23

Kwas nukleinowy - biopolimer zbudowany z nukleotydów. Zasadniczo są dwa rodzaje kwasów nukleinowych: kwas rybonukleinowy (RNA) oraz kwas deoksyrybonukleinowy (DNA). Oba mogą występować pod postacią zarówno pojedynczej jak i podwójnej nici, przy czym zazwyczaj DNA tworzy nić podwójną, a RNA pojedynczą.

Monomer kwasu nukleinowego składa się z cząsteczki pentozy, dla RNA rybozy, dla DNA deoksyrybozy, zasady purynowej lub pirymidynowej przyłączonej do pierwszego atomu węgla pentozy, oraz reszty fosforanowej, przyłączonej do trzeciego oraz piątego atomu węgla dwóch sąsiednich pentoz polimeru.

Zasadami są adenina, guanina, cytozyna oraz uracyl (w RNA) lub tymina (w DNA).

Kwasy nukleinowe przechowują kod genetyczny organizmu oraz pośredniczą w produkcji białek.

Fragment RNA	Fragment DNA

Puryna jest podstawą dwóch zasad azotowych wchodzących w skład kwasów nukleinowych (DNA i RNA) - adeniny i guaniny

Trzy podstawowe części kwasów nukleinowych (DNA i RNA) - cytozyna, tymina i uracyl są pochodnymi pirymidyny.

Ad.24

Kwas rybonukleinowy, RNA, polimer rybonukleotydów, występujący zarówno w jądrze komórkowym, jak i w cytoplazmie. Nukleotydy połączone są wiązaniem typowym dla kwasów nukleinowych. Kwasy rybonukleinowe w zależności od pełnionej funkcji, masy cząsteczkowej i struktury dzieli się na:

heterogenne jądrowe (hnRNA)- głównie produkty transkrypcji DNA i przetwarzania surowego transkryptu do mRNA

antysensowne RNA albo interferencyjne RNA - produkowane w celu precyzyjnej regulacji ekspresji genów kodujących białka (za pomocą mechanizmu wspólnego lub bardzo zblizonego do systemu zwalczania wirusów RNA)

małe jądrowe (snRNA) pełniące funkcje enzymatyczne przy wycinaniu intronów z transkryptów)

informacyjne zwne matrycowymi(mRNA)

rybosomowe (rRNA)

małe cytoplazmatyczne (w tym tRNA)

RNA jest zazwyczaj jednoniciowy, postać dwuniciowa, analogiczna do dwuniciowego DNA występuje głownie jako materiał genetyczny niektórych wirusów i wiroidów (porównaj też. Retrowirusy). Jednak w wypadku cząsteczek jednoniciowych, szczególnie pełniących funkcje enzymatyczne, lub współdziałających w tych funkcjach (np. rRNA, tRNA) tworzenie fragmentów dwuniciowych przez parowanie różnych odcinków tej samej nici decyduje o strukturze całej cząsteczki. Ułożenie zasad azotowych w RNA nie jest dowolne. Ich kolejność jest lustrzanym odbiciem kolejności ułożenia zasad azotowych w jednej z nici DNA.

W przypadku wirusów RNA zawierajacych pojedynczą nić kwasu nukleinowego można mówić o polarności nici. Nić o dodatniej polarności to taka, która może pełnić funkcję mRNA, zaś nić o ujemnej polaryzacji to taka, która jest komplementarna do mRNA

tRNA, mRNA, rRNA

Ad.25

N

a początku lat pięćdziesiątych odwieczne pytanie o zasady dziedziczenia mogło wreszcie zostać sformułowane w języku chemii. W jaki sposób cząsteczki DNA powielają się i rekombinują? Dlaczego mutacje zachowują się w kolejnych pokoleniach? W jaki sposób informacja genetyczna przesądza o budowie struktur biologicznych i procesach chemicznych zachodzących w komórkach? Czy przepływ informacji zawartej w DNA jest regulowany w trakcie wzrostu komórki, rozwoju i podczas innych procesów fizjologicznych? W jaki sposób procesy te zmieniają się podczas choroby? Podobne pytania wracały nieustannie w ciągu czterdziestu lat rozwoju genetyki molekularnej. Ogromny postęp badań nad organizmami prokariotycznymi, jaki dokonał się w pierwszej połowie tego okresu, przyniósł odpowiedzi na wiele podstawowych pytań.        W procesach genetycznych najważniejszą rolę odgrywają trzy rodzaje cząsteczek: DNA, RNA i białka.

Strzałki wskazują procesy i kierunek przepływu informacji: od DNA do DNA, od DNA przez RNA do białek i od RNA do DNA

Żeby ciągłość genetyczna między pokoleniami została zachowana, DNA musi być powielany i przekazywany nowym komórkom podczas cyklu podziałowego. Replikacja DNA jest procesem, podczas którego cząsteczka rodzicielska jest podwajana przed przekazaniem jednej z kopii DNA każdej z nowo powstających komórek. Replikacja powinna odznaczać się dużą wiernością, aby nie dochodziło do przekazania błędnej informacji. Co więcej, uszkodzenie (na przykład spowodowane promieniowaniem ultrafioletowym) oraz przypadkowe błędy (jak wprowadzenie niewłaściwego nukleotydu) w czasie replikacji DNA i pomiędzy cyklami replikacyjnymi powinny być usunięte, a nie przekazane potomnym komórkom. DNA podlega wielu procesom: replikacji, naprawy uszkodzeń, rekombinacji oraz rearanżacji. Dzięki nim organizmy mogą zachować i modyfikować swoje genomy.        Informacja genetyczna przenoszona przez DNA jest zapisana w kolejności ułożenia czterech różnych nukleotydów. Jest to sposób podobny do przedstawiania informacji pisanej w postaci kolejnych liter wydrukowanych na stronie książki. Tak jak zdanie zawiera pewną myśl, tak gen, będąc fragmentem cząsteczki DNA, zawiera jednostkę informacji genetycznej. Komórki muszą rozszyfrować informację, aby mogła ona ujawnić się w postaci odpowiedniej cechy. Na odczytywanie informacji składa się wiele procesów. Noszą one łączne miano ekspresji (wyrażania) genów. W pierwszym etapie różne nukleotydy tworzące gen są przepisywane na cząsteczkę pokrewnego kwasu nukleinowego - RNA. Proces ten nosi nazwę transkrypcji (przepisania genów). W drugim etapie cząsteczka RNA kieruje produkcją innego rodzaju cząsteczki - cząsteczki białka - w procesie zwanym translacją (tłumaczeniem). Kolejność nukleotydów RNA określa naturę powstającego białka. Ponieważ kolejność nukleotydów w każdym genie (a więc i w powstającym na jego bazie RNA) jest inna, każdy z nich determinuje wytwarzanie innego białka. Często, w uproszczeniu, mówi się, że gen koduje białko. Charakterystyczne cechy komórki i organizmu zależą więc od liczby i rodzajów białek odczytanych z obecnego w nich DNA.        DNA jest przepisywany na kilka rodzajów RNA, z których tylko jeden ulega translacji na białko. Inne uczestniczą w różnych procesach komórkowych towarzyszących syntezie białka.        Zasadniczo informacja w komórce płynie w jednym kierunku: od DNA do RNA i do białka. W pewnych szczególnych przypadkach możliwy jest przepływ w kierunku odwrotnym - od RNA do DNA - w procesie zwanym odwrotną transkrypcją. Nic natomiast nie wiadomo o tym, aby informacja zawarta w białkach mogła stać się podstawą do wytwarzania odpowiadających im kwasów nukleinowych - czyli, innymi słowy, o odwrotnej translacji. Niemniej jednak, jak zobaczymy w dalszym ciągu, białka są najważniejszymi uczestnikami procesów przekazywania informacji między kwasami nukleinowymi, oraz procesów syntezy nowych cząsteczek białkowych.        Podstawową cechą procesu przekazywania informacji między kwasami nukleinowymi, zarówno w przypadku replikacji, transkrypcji, jak i odwrotnej transkrypcji, jest odgrywanie przez kwas nukleinowy roli matrycy dla nowo syntezowanej nici o właściwej kolejności nukleotydów. Najważniejsza zasada polega na tym, że porządek nukleotydów A, T, G i C w istniejącej nici-matrycy określa jednoznacznie porządek nici powstającej.        Do zrozumienia zależności między informacją zawartą w cząsteczkach DNA, RNA i białek konieczne są pewne wiadomości na temat ich budowy, ponieważ replikacja DNA i odszyfrowanie informacji genetycznej, podobnie jak wszystkie procesy podtrzymujące życie komórki, są reakcjami chemicznymi. Rozdział ten opisuje najważniejsze właściwości strukturalne makrocząsteczek uczestniczących w procesach dziedziczenia. Informacje te są konieczne dla zrozumienia opisanej w dalszym ciągu roli tych cząsteczek w replikacji DNA i ekspresji genów. Podstawowe właściwości strukturalne DNA, RNA i białek są takie same we wszystkich żywych organizmach, zarówno prokariotycznych, jak i eukariotycznych. Jest to znaczące świadectwo jedności świata żywego, a zarazem niezwykłe ułatwienie dla wszystkich zgłębiających tajniki biologii.

Ad.26

Replikacja DNA jest procesem zapewniajacym przekazywanie informacji genetycznej z komorek rodzicielskich do komorek potomnych w sposob prawie doskonaly. Doskonalosc ta jest uzyskiwana nie tylko dzieki precyzyjnemu mechanizmowi samej replikacji, lecz rowniez za sprawa systemow ochronnych, zdolnych do wykrywania i naprawy bledow. Dzieki tym systemom bledy powstale w procesie replikacji pojawiaja sie najwyzej raz na miliard nukleotydow.

Bez wzgledu na to, czy komorka ma tylko jeden chromosom, czy tez ma ich wiele, DNA ulega replikacji zawsze tylko jeden raz na kazdy cykl podzialowy .

Podstawowa cecha replikacji jest jej semikonserwatywnosc. Znaczy to, ze synteza nowych nici moze zachodzic tylko z udzialem nici rodzicielskich, sluzacych jako matryce. W procesie tym wykorzystuje sie zdolnosc zasad azotowych, wchodzacych w sklad nukleotydow, do tworzenia komplementarnych par. Dzieki tej wlasnie wlasnosci wystarczy rozplatac podwojny heliks DNA, nastepnie do uwolnionych w ten sposob nici dobudowac komplementarne nukleotydy, aby otrzymac dwie identyczne czastaczki DNA (kazda z otrzymanych w ten sposob czastek bedzie miala jedna nic rodzicielska i jedna dosyntetyzowana na nowo).

Mowiac o replikacji nalezy wprowadzic pojecie replikonu. Replikon jest to jednostka replikacji, za ktora przyjeto uwazac odcinek DNA, zawierajacy miejsce startu oraz przylegajace sekwencje uczestniczace w kontroli tego prosesu.

W procesie replikacji mozna wyroznic trzy zasadnicze etapy:

Inicjacja replikacji

Inicjacja, czyli poczatek replikacji zachodzi w scisle okreslonych miejscach na nici DNA. Miejsca te nazywaja sie "origin" (w skrocie ori). Zawieraja one specyficzne sekwencje, sluzace im do:

wiazania bialek inicjatorowych,

rozdzielenia nici i rozpoczecia procesu replikacji,

przylacznia bialek wspomagajacych proces replikacji.

Miejsce inicjacji jest bardzo wazne, poniewaz tylko tu moze odbywac sie kontrola repikacji. Raz rozpoczety proces musi przebiegac az do zakonczenia syntezy calego replikonu. U bakterii replikon obejmuje caly genofor, znaczy to, ze pojedyncze miejsce inicjacji kontroluje replikacje calego genomu. Organizmy eukariotyczne natomiast, maja wiele replikonow w kazdym chromosomie. Dzieki tej roznicy szybkosc replikacji genomu eukariota wielokrotnie przewyzsza szybkosc replikacji genomu prokariota.

Rozdzielajace sie w miejscu syntezy lancuchy matrycowego DNA tworza tzw. "widelki replikacyjne". O rozdzieleniu heliksu DNA decyduja bialka enzymatyczne zwane helikazami. Wykorzystuja one energie hydrolizy ATP do zmiany ksztaltu swojej czasteczki (podobnie jak bialka miesniowe), co umozliwia im wykonanie pracy mechanicznej. Helikazy przesuwaja sie wzdluz dwuniciowego DNA, rozdzielajac nici i poszerzajac widelki replikacyjne.

Najwazniejszymi enzymami odpowiedzialnymi za replikacje DNA sa polimerazy DNA. Nie maja one jednak zdolnosci do samodzielnego rozpoczecia syntezy lancuchow DNA, moga jedynie je wydluzac. Z tego powodu synteza DNA zaczyna sie od wbudowywania starterowych odcinkow RNA, ktore zakonczone sa wolna grupa -OH, na koncu 3'. Za wbudowywanie tych odcinkow odpowiedzialne sa wyspecjalizowane enzymu zwane primazami.

Zatem kolejne etapy inicjacji replikacji to:

przylaczenie sie helikaz do odpowiednich sekwencji inicjatorowych,

rozplatanie podojnego heliksu i powstanie widelek replikacyjnych,

synteza starterowych odcinkow RNA przez primazy,

Elongacja replikacji

Porces elongacji, podobnie jak proces inicjacji, wymaga udzialu wielu bialek enzymatycznych. Oprocz polimeraz DNA, glownych enzymow replikacji, potrzebnych jest wiele enzymow odpowiedzialnych za katalizowanie reakcji analogicznych do przeprowadzanych podczas inicjacji replikacji (rozplatywanie i stabilizacja nici, wbudowywanie starterow). Wszystkie te bialka tworza kompleks zawany replisomem.

Polimerazy syntetyzujace potomne nici DNA nie tylko nie sa zdolne do rozpoczecia replikacji (patrz inicjacja replikacji), lecz rowniez przylaczanie przez nie nukleotydow moze sie odbywac wylacznie do grup -OH (konca 3') starterow RNA. Zatem replikacja DNA przebiega tylko w jednym kierunku - od 5' do 3' konca. Odwrotna orientacja nici w obrebie podwojnego heliksu pozwala na ciagla synteze tylko jednej nici (tzw. nici wiodacej). Druga natomiast musi byc w postaci krotkich fragmentow , dolaczonych do odcinkow starterowych (jest to tzw. nic opozniona). Fragmenty te nazwano, na czesc odkrywcy, fragmentami Okazaki.

Wytworzenie wiazania estrowego miedzy reszta fosforanowa a deoksyryboza, katalizowane przez polimerazy, wymaga dostarczenia energii. Jak w wiekszosci syntez komorkowych, tak i tu energia pochodzi z wysokoenergetycznych wiazan miedzy resztami kwasu fosforowego. Czasteczka DNA jest zbudowana z monofosfonukleotydow. Natomiast substratami do synezy nowej nici w procesie replikacji sa trifosfonukleotydy (ATP, CTP, GTP, TTP), wiec dolaczenie jednego nukleotydu wiaze sie z rozerwaniem dwoch wiazan wysokoenergetycznych.

W fazie elongacji procesu replikacji bierze udzial kilka polimeraz, roznizcych sie funkcjonalnie:

polimeraza I - jej rola jest usuwanie odcinkow starterowych z fragmentow Okazaki oraz wycinanie uszkodzonych odcinkow DNA w procesie naprawy,

polimeraza II - niestety funkcja metaboliczna tego enzymu nie jest dokladnie poznana, wiadomo natomiast, ze wykazuje aktywnosc egzonukleolityczna,

polimeraza III - jest wlasciwa replikaza DNA, jej glowna funkcja jest wstawianie nowych nukleotydow na koncu 3' nowopowstajacej nici DNA.

Funkcje polimeraz omowiono na podstawie organizmow prokariotycznych, lecz ze wzgledu na podobienstwo tych funkcji wzgledem eukariontow nie zachodzi potrzeba oddzielnego ich omowienia. Na uwage zasluguje jednak fakt, ze organizmy eukariotyczne maja dodatkowa polimeraze, odpowiedzialna za replikacje DNA jadrowego.

Kolejnymi, nie wspomnianymi dotad, enzymami koniecznymi do przeprowadzenia procesu replikacji przez komorke sa ligazy. Ich zadaniem jest laczenie fragmentow Okazaki (juz po wycieciu starterow przez polimeraze) w jedna dluga nic. Ligazy bakteryjne wymagaja NAD jako koenzymu i zrodla energii, natomiast ligazy eukariotyczne wykorzystuja do tego celu ATP.

Podsumowujac - na proces elongacji skladaja sie:

synteza fragmentow Okazaki, z wykorzystaniem odcinkow starterowych,

naprawa ewentualnych bledow, powstalych podczas trwania procesu,

wyciecie fragmentow RNA, sluzacych za startery,

laczenie (ligacja) odcinkow Okazaki w jedna dluga nic.

Terminacja replikacji

Terminacja jest koncowym etapem replikacji, w ktorym dochodzi do polaczenia DNA w kompletne chromosomy i rozdzielenia ich pomiedzy komorki potomne. Mechanizmy terminacji u prokaroiota i eukariota znacznie roznia sie sie od siebie.

U organizmow prokariotycznych, gdzie na kolistym genoforze znajduje sie tylko jeden replikon, za koncowy etap replikacji odpowiedaja 4 sekwencje nukleotydowe , wiazace sie z bialkiem terminacyjnym. Bialko to bedac inhibitorem replikacji, hamuje caly proces.

U eukariontow sytuacja przedstawia sie inaczej. Wystepowanie kilku repikonow w replikujacym sie chromosomie powoduje, ze do zakonczenia replikacji wystarczy fizyczne zetkniecie sie dwoch podazajacych ku sobie w przeciwnych kierunkach widelek replikacyjnych. Nie potrzeba tu specjalnych sekwencji terminalnych.
Odmiennie przedstawia sie sytuacja z zakonczeniem syntezy chromosomow. W przeciwienstwie do kolistych genoforow bakteryjnych, chromosomy eukariotyczne zbudowane sa z liniowych czasteczek DNA. Gdyby replikacja u organizmow eukariotycznych konczyla sie analogicznie do prokariota to ostatni kilkunukleotydowy fragment pozostawalby niedoreplikowany. Na koncu kazdego chromosomu istnieja jednak charakterystyczne sekwencje, ktore pozwalaja na utrzymanie niezmiennej dlugosci genomow. Sekwencje te zwane sa telomerami. Telomery odpowiadaja rowniez za ochrone DNA przed laczeniem sie z innymi chromosomami.
Replikacja telomerow zachodzi w sposob odmienny od reszty chromosomu. Odpowiada za nie specjalny enzym zwany telomeraza. Jest to enzym, ktory w swoim centrum aktywnym zawiera matryce do syntezy telomerow - czasteczke RNA. Starterami w tym procesie sa koncowe sekwencje telomeru pozostalego z poprzedniego cyklu replikacyjnego.

Zatem na terminacje replikacji skladaja sie nastepujace procesy:

zakonczenie syntezy nowych nukleotydow w odpowienich miejscach,

polaczenie powstalego DNA w kompletne chromosomy,

rozdzielenie chromosomow pomiedzy komorki potomne.

Replikacja DNA to proces, w którym podwójna nić DNA ulega skopiowaniu. Replikacja jest semikonserwatywna - w każdej z dwóch uzyskanych podwójnych nici DNA będzie jedna nić macierzysta i jedna nowa. Nie licząc niewielkiego prawdopodobieństwa (ok. 1 błąd na 10⁹ nukleotydów, dla porównania błąd transkrypcjii - 1 na 10⁴) wystąpienia błędu obie cząsteczki DNA będą identyczne.

Substratami tego procesu są:

matryca DNA;

trifosforany deoksyrybonukleotydów (dNTP);

ATP - energia dla helikaz;

W procesie tym stwierdzono wiele aktywności enzymatycznych (udział enzymów) tj.:

helikazy - rozrywają wiązania wodorowe między nićmi matrycowego DNA, rozkręcając helisę i umożliwiając rozpoczęcie procesu;

prymaza - syntetyzuje starter;

polimerazy DNA - polimeryzuje zgodnie z zasadą komplementarności fosforany deoksyrybonukleotydów;

egzonukleaza - usuwa startery RNA z nici;

ligaza DNA - uzupełnia brakujące wiązania fosfodiestrowe w szkielecie nowo-zsyntezowanej nici DNA

różne enzymy pomocnicze

Zasady replikacji są podobne u wszystkich organizmów, przy czym największe różnice występują między bakteriami z jednej strony, a archea i eukariontami z drugiej.

U bakterii replikacja zaczyna się w ustalonym miejscu i postępuje bardzo szybko, z prędkością rzędu 1000 nukleotydów na sekundę. U eukariotów replikacja jest o wiele wolniejsza, ok. 50 nukleotydów na sekundę, jednak zachodzi równocześnie w wielu miejscach.

Polimeraza DNA działa jedynie w kierunku od końca 3' do końca 5' (czyli syntetyzuje nową nić w kierunku od 5' do 3'). Z tego powodu jedna z nici jest syntezowana w sposób ciągły, druga (ta, którą chcielibyśmy zsyntezować w przeciwną stronę) fragmentami.

W punktach

Dwie nici podwójnej helisy w pewnym miejscu rozplatają się; powoduje to rozerwanie par zasad komplementarnych

W pobliżu miejsca rozplecenia zawsze znajduje się dostateczna ilość wolnych nukleotydów; do każdej z zasad w rozplecionych niciach dołącza zasada komplementarna, stanowiąca część wolnego nukleotydu - jednostki budulcowej DNA

Między nowo dołączonymi nukleotydami powstają trwałe połączenia - w ten sposób tworzy się nowa nić DNA.

Szczegóły procesu

Kopiowanie podwójnej helisy DNA jest procesem złożonym. Rozpoczyna się w miejscu inicjacji, liczącym ok. 200-300 par nukleotydów. Miejsce to oznacza się skrótem ori od ang. origin. Aby replikacja przebiegła prawidłowo, rozdzielenie obu nici musi zajść bez zniszczenia ich struktury podstawowej (I-rzędowej) i w odpowiednich warunkach, jak: dokładne odczytanie matrycy DNA, obecność odpowiedniej liczby wolnych nukleotydów, zachowania komplementarności. Na koniec musi dojść do terminacji replikacji, ewentualnego uzupełnienia braków na końcu nowopowstałej cząsteczki i połączenia nowych cząsteczek w helisę. U bakterii zakończenie replikacji jest niemal automatyczne (po skopiowaniu całego kolistego DNA, który jest pojedynczym replikonem. U eukariotów miejsc replikacji (replikonów) jest wiele, a jej terminacja zachodzi po zakończeniu wielu procesów replikacyjnych zachodzących niemal jednocześnie w różnych miejscach replikujących cząsteczek DNA. Do terminacji dochodzi, gdy widełki replikacyjne replikonu natkną się na specjalną sekwencję terminacyjną. Proces replikacji nie-kolistych (eukariotycznych) cząsteczek DNA wiąże się z problemem wolnych zakończeń powstających cząsteczek DNA. Zakończenia te, zwane telomerami składają sie z krótkich, ale wielokrotnie powtórzonych sekwencji. Replikazy wydłużają jedynie istniejące już nici, nie są natomiast w stanie zsyntetyzować końcowych odcinków telomerów. W rezultacie odcinki te narażone są na regularne skracanie. Skracaniu temu zapobiega obecność telomerazy, która przeprowadza odwrotną transkrypcję tych odcinków, posługując się jako "matrycą" nie DNA, ale RNA, będącym częścią składową tego enzymu. Zapobiega to odsłonięciu znaczących fragmentów DNA.

Grupa białek rozwijających widełki replikacyjne to prymosom.

Ad.27

Transkrypcja

Transkrypcja jest pierwszym etapem ekspresji genow, polega na "przepisaniu" kolejno zasad z DNA na RNA. Proces ten jest katalizowany przez polimeraze RNA - enzym, ktory przyczepia sie do DNA na poczatku genu i syntetyzuje RNA komplementarne do jednej z nici. Tak powstaly RNA (po dodatkowej obrobce) w pozniejszym etapie ekspresji materialu genetycznego stanowi matryce, na ktorej syntetyzowane sa bialka. Transkrypcja, obok translacji, jest zatem kluczowym procesem warunkujacym zycie organizmow. Dzieki niej mozliwe jest odczytanie informacji genetycznej, zachowujac jednoczesnie nienaruszalnosc centralnego banku informacji - podwojnej helisy DNA.

U organizmow prokariotycznych i eukariotycznych transkrypcja rozni dosc znacznie. Roznica ta przejawia sie glownie w pierwszym etapie - inicjacji. Ze wzgledu na to proces ten zostanie omowiony oddzielnie dla obu tych nadkrolestw.

Transkrypcja u organizmow prokariotycznych

Proces transkrypcji u Prokaryota rozpoczyna sie od zwiazania sie polimerazy RNA (glownego enzymu katalizujacego) do odpowiedniej sekwencji na DNA, zwanej promotorem.

Promotory sa podobne we wszystkich genach organizmow prokariotycznych. W ich budowie istotne sa dwie, zwykle szescionukleotydowe sekwencje. Jedna z nich - polozona blizej konca 5', jest pierwsza rozpoznawana przez polimeraze.

Polimeraza RNA jest enzymem skladajacym sie z czesci rdzeniowej, zbudowanej z trzech roznych elementow bialkowych, oraz podjednostki odpowiedzialnej za rozpoznawanie i wiazanie sie do sekwencji promotorowych. Podjednostka ta nazywana zostala czynnikiem sigma. W komorkach prokariotycznych istnieje wiele takich czynnikow. Wykazuja one specyficznosc dla okreslonych promotorow i dzieki tej wlasnosci moga wplywac na regulacje ekspresji genow.

Aby moglo dojsc do rozpoczecia syntezy RNA, nie wystarcza zwiazanie polimerazy RNA z elementami promotorowymi.Konieczne jest rowniez przejscowe rozdzielenie podwojnego lancucha DNA (proces ten nazwano topnieniem).

Wszystkie wyzej opisane procesy, czyli:

• rozpoznanie promotorow przez czynnik sigma,

• przylaczenie polimerazy RNA do elementow promotorowych,

• miejscowe rozdzielenie helisy DNA.

skladaja sie na tzw. inicjacje traskrypcji.

Kolejnym etapem trasnkrypcji jest elongacja. W czasie jego trwania polimeraza RNA przesuwa sie po nici DNA, syntetyzujac RNA. Substratmi w tym procesie sa rybonukleotydy (ATP, GTP, CTP i UTP). Energia zmagazynowana w ich wysokoenergetycznych wiazaniach jest wykorzystywana do wytwarzania wiazan fofodiestrowych w RNA. W trakcjie elongacji powstaje przejsciowa struktura hybrydowa DNA-RNA.

Omawiajac proces elongacji warto dokladniej przeanalizowac jedena czesto umykajacy uwadze prawidlowosc dotyczaca calego procesu transkrypcji.

• Czasteczka DNA sklada sie z dwoch pojedynczych nici. Jedna z nich jest wlasciwa nicia kodujaca bialka (tzw. nic sensowna), natomiast droga, komplementarna do niej, to nic niekodujaca - nonsensowna. Taka struktura DNA pozwala nie tylko na latwe kopiowanie DNA (patrz replikacja), jak i na przepisywanie informacji na RNA. Podczas transkrypcji powstajaca nic RNA jest komplementarna tylko do jednej nici DNA - nonsensownej (inaczej mowiac nic nonsensowna jest matryca). Dzieki temu nowo powstale RNA jest, co do kolejnosci nukleotydow, takie same jak nic kodujaca (nie zapominajac o tym, ze zamiast tyminy, w RNA wystepuje uracyl).

Transkrypcja konczy sie w scisle okreslonym miejscu DNA zwanym terminatorem. Tu zachodzi oddysocjowanie polimerazy RNA od DNA. Istnieja dwa mechanizmy terminacji transkrypcji.

• W jednym z nich polimeraza RNA odlacza sie od lancucha DNA po napotkaniu odpowiedniej sekwencji. Sekwencja ta jest bagata w zasady C i G, co umozliwia jej tworzenie struktury "szpilki do wlosow" na nici RNA.

• Drugi mechanizm jest zalezny od pewnego bialka zwanego czynnikiem uwalniajacym. Bialko to wiaze sie z okreslona sekwencja na DNA uniemozliwiajac tym samym dalsza elongacje.

Transkrypcja u organizmow eukarotycznych

W odroznieniu od organizmow prokariotycznych, u organizmow eukariotycznych istnieja trzy rodzaje polimerazy, odpowiedzialne za "odczytywanie" roznych klas genow.

Nazwa	Produkty transkrypcji
Polimeraza I	rozne rodzaje rybosomalnego RNA (rRNA)
Polimeraza II	matrycowe RNA (mRNA) maloczasteczkowe RNA
Polimeraza III	niektore rodzaje maloczasteczkowego RNA transferowe RNA (tRNA)

Zaden z tych enzymow nie potrafi samodzielnie przylaczac sie do DNA. Polaczenie takie jest mozliwe jedynie dzieki specjalnym bialkom tzw. czynnikom transkrypcyjnym (w skrocie TF; ang. Transcripton factor). Czynniki te lacza sie z DNA w specjalnych miejscach zwanych promotorami. Dla wielu genow elementem niezbednym do przylaczenia sie pierwszego czynnika transktypcyjnego jest sekwencja TATA (ang. TATA-box). Incjacja (lub regulacja) genow nie zachodzi tylko przy udziale sekwencji promotorowych, czynniki transkrypcyjne moga wiazac sie rowniez do tzw. sekwencji enhancerowych. Enhancery nie musza byc polozone obok sekwencji kodujacej jak to jest w przypadku promotorow, moga byc oddalone od niej nawet o 1000 par zasad lub znajdowac sie w intronie. Ich orientacja rowniez nie ma znaczenia, enhancer funkcjonuje poprawnie nawet po odwroceniu go o 180 stopni. Wzajemne oddzialywanie czynnikow transkrypcyjnych, przylaczonych do promotorow i enhancerow, bedacych zwykle aktywatorami, decyduje o rozpoczeciu pracy przez polimeraze RNA.

Dalszy etap transkrypcji, czyli elongacja, przebiega podobnie jak u organizmow prokariotycznych. .

Rozny jest natomiast ostatni etap traskrypcji - terminacja. U Eukaryota nie stwierdzono czynnikow uwalniajacych, inne sa rowniez sekwencje odpowiedzialne za zakonczenie transkrypcji. Jednakze brak danych na temat terminacji nie pozwala na dokladna charakterystyke miejsc konca transkrypcji.

Produktem transkrypcji u organizmow eukariotycznych, katalizowanej przez polimeraze RNA II, nie jest gotowa matryca RNA (mRNA), jest nim czasteczka prekursorowa zwana pre-mRNA. Ze wzgledu na nieciaglosc genow eukariotycznych i wystepowanie oddzielnego przedzialu jadrowego, zsyntetyzowany transkrypt musi ulec dodatkowym przemianom (patrz posttranskrypcyjne etapy ekspresji genu eukariotycznego).

Ad.28

Translacja

Translacja, czyli biosynteza bialek jest ostatnim etapem ekspresji informacji genetycznej. Po przepisaniu informacji z nukleotydowej sekwencji DNA na RNA (mRNA), translacja pozwala na przetlumaczenie szyfru nukleotydowego na jezyk aminokwasow w bialku.

System translacji dziala podobnie zarowno u organizmow prokariotycznych, jak i u eukariotycznych, z ta roznica, ze u Eucariota nastepuje przestrzenne oddzielenie transkrypcji od translacji (translacja odbywa sie na terenie cytoplazmy co wiaze sie z koniecznosca transportu mRNA z przedzialu jadrowego).

Przed omowieniem samego procesu translacji, nalezy wspomniec o strukturach niezbednych do jego przeprowadzenia, sa nimi:

• rybosomy,

• transferowe RNA (tRNA).

Obok tych struktur, w procesie biosyntezy bialka biora udzial rowniez: matrycowe RNA (mRNA) oraz wysokoenergetyczne zwiazki, ktorych zadaniem jest dostarczenie energii (najprawdopodobniej sa nimi czasteczki GTP).

W procesie translacji poszczegolne skladniki musza znalesc sie w scisle okreslonym polozeniu w stosunku do siebie, zatem czasteczki bioroce w nim udzial musza zostac uporzadkowane przestrzennie. Taka porzadkujaca funkcje pelnia rybosomy. Latwosc dysocjacji i asocjacji obu podjednostek rybosomalnych umozliwia skutecznie wiazanie sie tych organelli z mRNA oraz aminoactlo-tRNA.

Rozpoznanie odpowiedniego tripletu nukleotydowego na mRNA odbywa sie dzieki dzieki uniwersalnej dla oddzialywan miedzy kwasami nukleinowymi regule komplementarnosci (antykodon z tRNA musi sie laczyc z odpowiednim kodonem polozonym na mRNA).

Po zwiazaniu sie mRNA pomiedzy dwie podjednostki, w miejsca A i P rybosomu dolaczane sa odpowiednie aminoacylo-tRNA. Pierwszym, dolaczanym do kodonu inicjatorowego (AUG), jest zwykle aminoacylo-tRNA, zwiazane z N-formylomietionina. (tzw. f-Met-tRNA).

Dalej proces translacji zachodzi w nastepujacych po sobie cyklach. Poszczegolne fazy jednego z takich cykli przedstawiaja sie nastepujaco:

• W miejscu P rybosomu znajduje sie tRNA z dolaczonym f-Met-tRNA lub tRNA z fragmentem lancucha polipeptydowego, jesli jest to jeden z dalszych cykli. Oczywiscie wymienione poprzednio tRNA musza miec antykodony komplementarne do kodonow na mRNA.

• Do wolnego miejsca A dolacza sie nowy aminoacylo-tRNA z antykodonem odpowiadajacym trojce, znajdujacej sie wlasnie w tym miejscu.

• Nastepnym etapem jest wytworzenie wiazania peptydowego pomiedzy aminokwasem znajdujacym w miejscu A a fragmentem lancucha polipeptydowego. Dzieki temu lancuch wydluza sie o jeden aminokwas i przenoszony jest w miejsce A rybosomu. Tworzenie lancucha polipeptydowego ma charakter enzymatyczny, katalizatorem jest w niej fragment RNA z duzej podjednostki.

• W kolejnej fazie zdeacylowany tRNA z jest odrzucany z miejsca P, a na jego miejsce przesuwa sie tRNA z dolaczonym fragmentem polipeptydu. Towarzyszy temu przemieszczenie sie mRNA (translokacja), przy uzyciu energii z wysokoenergetycznych wiazan GTP. W ten sposob, ze naprzeciw wolnego juz miejsca A pojawia sie kolejny kodon, odpowiadajacy nowemu aminokwasowi.

Proces translacji konczy sie, gdy w miejscu A pojawi sie jeden z kodonow terminacyjnych (UGA - opal, UAA - ochre lub UAG - amber). Zadnemu z trzech kodonow stop nie odpowiada aminokwas. W rezultacie dochodzi do dolaczenia czynnikow terminacyjnych (RF), ktore powoduja uwalnianie polipeptydowego produktu oraz dysocjacje calego kompleksu rybosomowego.

Powstaly polipeptyd musi ulec pewnym modyfikacjom chemicznym m.in. proteolitycznemu obcieciu N-formylometioniny, a nastepnie przyjac odpowiednia konformacje, ktora pozwoli na pelnienie odpowiedniej funkcji.

Ad.30

Zasada komplementarności (komplementarność) - Sposób łączenia się zasad azotowych w kwasach nukleinowych. cytozyna (C) łączy się tylko z guaniną (G). Adenina (A) w kwasie RNA łączy się z uracylem (U), a w kwasie DNA łączy się z tyminą (T). Na podstawie tej zasady możliwe jest odtworzenie brakującej nici DNA, np. podczas replikacji. Adenina łączy się zawsze z tyminą za pomocą podwójnego wiązania, a guanina z cytozyną poprzez potrójne wiązanie.

Ad.31

Kod genetyczny

Ekspresja materialu dziedzicznego jest uwarunkowana istnieniem sposobu wedlug, ktorego mozna przetlumaczyc informacje genetyczna zawarta w sekwencji nukleotydow na sekwencje aminokwasow. W polowie lat piedziesiatych zwrocono uwage na pewna zaleznosc matematyczna dotyczaca kodowania informacji genetycznej. Skoro informacja na temat bialek zapisana jest w postaci DNA, a czasteczka ta sklada sie z czterech roznych nukleotydow, to do zapisania w niej informacji dotyczacej 20 elementow (tyle wlasnie aminokwasow buduje bialka), potrzeba jednostek kodujacych zlozonych z trzech nukleotydow. Pogrupowanie czterech nukleotydow z roznymi zasadami w dowolne trojki, pozwala na otrzymanie 64 kombinacji. Ewentualne ulozenie ich w dwojki, pozwoliloby jedynie na uzyskanie 16 kombinacji, natomiast z ukladu czworkowego wynikloby 256, co jest wielkoscia zbyt duza. Zatem przyroda wybrala mozliwie najprostrza wersja zapisu chemicznego:

• Proste permutacje czterech nukleotydow zgrupowanych w trojki, daja mozliwosc zakodowania wszystkich 20 aminokwasow.

• Trojke, ktorej odpowiada jeden aminokwas nazwano kodonem.

Tabela kodu genetycznego.

	U	C	A	G
U
		UUU Fenyloalanina	UCU Seryna	UAU Tyrozyna	UGU Cysteina	U
		UUC Fenyloalanina	UCC Seryna	UAC Tyrozyna	UGC Cysteina	C
		UUA Leucyna	UCA Seryna	UAA Stop translacji	UGA Stop translacji	A
		UUG Leucyna	UCG Seryna	UAG Stop translacji	UGG Tryptofan	G
	C
		CUU Leucyna	CCU Prolina	CAU Histydyna	CGU Arginina	U
		CUC Leucyna	CCC Prolina	CAC Histydyna	CGC Arginina	C
		CUA Leucyna	CCA Prolina	CAA Glutamina	CGA Arginina	A
		CUG Leucyna	CCG Prolina	CAG Glutamina	CGG Arginina	G
	A
		AUU Izoleucyna	ACU Treonina	AAU Asparagina	AGU Seryna	C
		AUC Izoleucyna	ACC Treonina	AAC Asparagina	AGC Seryna	A
		AUA Izoleucyna	ACA Treonina	AAA Lizyna	AGA Arginina	G
		AUG Metionina (Inicjaca translacji)	ACG Treonina	AAG Lizyna	AGG Arginina	G
	G
		GUU Walina	GCU Alanina	GAU Kw. asparaginowy	GGU Glicyna	U
		GUG Walina	GCC Alanina	GAC Kw. asparaginowy	GGC Glicyna	C
		GUA Walina	GCA Alanina	GAA Kw. glutaminowy	GGA Glutamina	A
		GUG Walina	GCG Alanina	GAG Kw. glutaminowy	GGG Glicyna	G

Jak widac w tabeli kod trojkowy zapewnia 64 kombinacje. Jednak nie wszystkie z tych trojek koduja aminokwasy, istnieja bowiem 3 kodony, stanowiace sygnal zakonczenia translacji, ktorym nie odpowiada zaden z nich. Pozostale 61 kodonow ma swoj odpowiednik aminokwasowy. Latwo wiec zauwazyc, ze na jednen aminokwas przypadaja srednio trzy trojki kodujace. Przez te wlasciwosc kod genetyczny nie jest wzajemnie jednoznaczny, inaczej mowiac jest zdegenerowany.

Mowiac o niejednoznacznosci nalezy zwrocic uwage na pewne zagadnienie.

• Przeksztalcajac informacje zawarta w lancuch polipeptydowym do postaci lancucha nukleotydowego - uzyskuje sie kilka rozwiazan. W te strone kod jest niejednoznaczny.

• Przy odtwarzaniu ukladu aminokwasow w polipeptydzie z kolejno ulozonych nukleotydow otrzyma sie tylko jedno rozwiazanie. W te strone kod jest jednoznaczny.

Dodatkowa wlasnoscia kodu genetycznego jest jego uniwersalnosc. Caly swiat ozywiony uzywa tego samego sposobu zapisu informacji o bialkach. Wszystkie aminokwasy obecne w bialkach roznych organizmow sa zakodowane przy uzyciu tych samych tripletow (wykryto tylko nieliczne wyjatki m.in. w mitochondrialnym kodzie genetycznym).

Zatem kod genetyczny jest :

• trojkowy,

• zdegenerowany,

• uniwersalny (w takej samej formie u prawie wszystkich organizmow),

• bezprzecinkowy,

Definicja intuicyjna:
Kod genetyczny to sposób zakodowania struktury białek w łańcuchach DNA i RNA, umożliwiający powtarzalną syntezę białek przez organizmy żywe.

Kod genetyczny (porównaj kod) odwzorowanie, które uporządkowanym zbiorom nukleotydów (sekwencjom) DNA lub RNA przyporządkowuje uporządkowane zbiory (sekwencje) aminokwasów w białkach. Jest to zasada określająca sposób kodowania struktury białek przez geny, a więc kwasy nukleinowe. Ma następujące własności:

1. Każdemu aminokwasowi białkowemu odpowiada przynajmniej jeden zbiór trójnukleotydowy (triplet, inaczej kodon), np. lizyna kodowana jest przez kodon AAA. Kod genetyczny jest więc kodem trójkowym

2. Niektóre aminokwasy mogą być zakodowane na kilka sposobów, np. lizynę poza wspomnianym kodonem, kodują także nukleotydy AAG. Kod genetyczny jest więc zdegenerowany (nie w pełni jednoznaczny).

3. Każdy nukleotyd w obrębie sekwencji kodujących wchodzi w skład jakiegoś kodonu i tylko jednego kodonu - kod genetyczny jest bezprzecinkowy; ponadto kodony nie zachodzą na siebie; np. biorąc pod uwagę powyższe dane, cząsteczka AAGAAA koduje sekwencję dwupeptydu lizylolizyny (taki sam dwupeptyd może być zakodowany jako AAAAAA)

4. Trzem kodonom nie odpowiadają żadne aminokwasy; kodony te (zwane nonsensownymi albo kodonami STOP) kodują polecenie przerwania biosyntezy peptydu/białka; jeśli więc powyższa sekwencja miałaby oznaczać końcowy odcinek jakiegoś białka to mogłaby mieć postać AAAAAAUAA, gdzie UAA jest kodonem STOP (w mRNA; natomiast jego odpowiednikiem w DNA jest TAA)

5. Powyższe zasady są przestrzegane dość dokładnie przez układy biosyntezy białek u wszystkich organizmów - kod genetyczny jest uniwersalny (jakkolwiek zdarzają się pewne odstępstwa od niego, obserwowane np. podczas translacji genów wirusowych i mitochondrialnych)

Dopasowanie kodonu z antykodonem nie zawsze musi być idealne. Zgodnie z zasadą tolerancji (hipotezą tolerancji), zawsze musi być zachowana jedynie zgodność (komplementarność) pomiędzy dwoma pierwszymi nukleotydami kodonu (w mRNA) i ich odpowiednikami w antykodonie (w tRNA); na ostatniej pozycji kodonu dopuszczalne jest czasami wiązanie tRNA przez nukleotyd niekomplementarny. Na przykład zarówno adenina, jak i cytozyna na trzeciej pozycji kodonu mogą tworzyć parę z uracylem antykodonu. Tak więc ta sama cząsteczka tRNA (połączonego z aminokwasem, czyli tworzącego aminoacylo-tRNA) może przyłączać się do kilku kodonów (choć zawiera tylko jeden antykodon). Z drugiej strony, w komórkach istnieje dla każdego aminokwasu (za wyjątkiem tryptofanu i metioniny) kilka rodzajów cząsteczek tRNA zawierających różne antykodony (każda jeden antykodon)i preferujących różne kodony. Takie cząsteczki tRNA, różniące się sekwencją i kodowane przez odrębne geny, ale przenoszące taki sam aminokwas nazywamy cząsteczkami izoakceptorowymi. Im więcej jest w komórce genów kodujących jakiś wariant izoakceptorowego tRNA, tym więcej jest tego typu cząsteczek w tej komórce. Różne warianty izoakceptorowego tRNA występują więc w różnych stężeniach. Regułą jest, że komórki kodują białka ulegające najszybszej translacji przy pomocy kodonów rozpoznawanych przez najliczniejsze warianty izoakceptorowego tRNA. Rozkład częstości poszczególnych form tRNA i ich preferowanych kodonów u różnych organizmów jest różny, może to utrudniać doskonalenie organizmów metodami inżynierii genetycznej (obcy gen w komórkach organizmu biorcy może wykazywać niższą lub wyższą aktywność niż to przewidywał eksperymentator).

Słowo kod genetyczny, w powyższym ujęciu oznaczające zasadę kodowania, bywa też czasem używane, zwłaszcza w tekstach popularnonaukowych i nienaukowych, w znaczeniu "treść zakodowanej informacji". Stąd np. artykuły o "niedawnym rozszyfrowaniu kodu genetycznego człowieka", nie mające uzasadnienia gdy zważymy na uniwersalność kodu genetycznego. Wydaje się, więc, że dla uniknięcia niejednoznaczności (zdegenerowania) kodu, jakim jest język polski, wskazane jest odróżnianie kodu genetycznego od informacji genetycznej, stanowiącej treść zapisaną w materiale genetycznym.

Ad.32

Regulacja ekspresji informacji genetycznej - organizmy prokariotyczne

Pojedyncza komorka bakteryjna jest zmuszona do czestych zmian substratow pokarmowych, a ze wzgledu na koszty energetyczne, nie moze sobie pozwolic na stala synteze wszystkich enzymow potrzebnych do ich rozkladu. Zatem w komorkach prokariotycznych musza istniec bardzo precyzyjne mechanizmy regulujace biosynteze tylko tych bialek, ktore sa w danej chwili niezbedne.

Jednym z najlepiej poznanych ukladow regulacyjnych u bakterii jest operon. Jego mechanizm jest oparty na oddzialywaniu bialka regulatorowego z okreslona sekwencja nukleotydowa DNA - operatorem . Operon mozna sobie wyobrazic jako grupe genow kontrolowanych przez wspolny system regulacyjny, majacych jeden promotor i transkrybowanych w postaci pojedynczego mRNA.

Dzialanie operonu mozna przedstawic na przykladzie operonu laktozowego, wystepujacego u paleczki okraznicy (Escherichia coli). Umozliwia on utrzymanie niskiego stezenia enzymow warunkujacych rozklad laktozy w warunkach jej braku oraz szybki wzrost stezenia przy pojawieniu sie substratu. Operon laktozowy sklada sie z trzech lezacych obok siebie genow kodujacych enzymy (lacZ, lacY, lacA) - tzw. genow struktury. W kierunku 5' do tych genow znajduje sie sekwencja DNA, zwana operatorem, z ktora wybiorczo moze sie laczyc bialko zwane represorem. Dodatkowo region operatorowy (operator) naklada sie piecioma nukleotydami na promotor genow struktury, znaczy to, ze dolaczenie represora uniemozliwia transkrypcje tych genow.

Istota mechanizmu regulacyjnego operonu jest to, ze zdolnosc laczenia sie represora z odcinkiem operatorowym jest zmieniana przez drobnoczasteczkowe zwiazki chemiczne. W przypadku operonu laktozowego, polaczenie sie laktozy do bialka regulatorowego (represora) powoduje obnizenie jego zdolnosci do wiazania sie z operatorem. W rezultacie zmieniony w ten sposob represor przestaje blokowac sekwencje operatorowa i umozliwia przylaczenie sie polimerazy RNA do promotora.

Represor jest wytwarzany w komorce bakteryjnej w sposob ciagly, nie zaleznie od tego, czy laktoza jest obecna w srodowisku, czy tez nie. Przy braku laktozy represor uniemozliwia przylaczenie sie polimerazy RNA i rozpoczecie transkrypcji. Pojawienie sie laktozy w srodowisku zmienia strukture czasteczek represora, umozliwiajac tym samym synteze mRNA z zapisana informacja o enzymach rozkladajacych laktoze. Po wyczerpaniu substratu, nie modyfikowane juz czasteczki represora znow lacza sie z operatorem, przywracajac wyjsciowa sytuacje.

Na uwage zasluguje fakt, ze operon laktozowy nie moze byc zaindukowany, kiedy w srodowisku srodowisku obok laktozy znajduje sie latwiej przyswajalne zrodlo wegla - glukoza. Musi wiec istniec mechanizm, dzieki ktoremu glukoza nie dopuszcza do indukcji operonu laktozowego. Zjawisko to nazwano represja glukozowa (ogolnie represja kataboliczna).

Obok operonu laktozowego w komorkach bakteryjnych wystepuje jeszcze szereg innych operonow, ktorych dzialanie zwiazane jest z przyswajaniem przez komorke alternatywnych zrodel wegla (np. arabinozowy, galaktozowy). Istnieja rowniez operony biosyntezy aminkwasow (np. tryptofanowy, histydynowy), dzialajace na odmiennych zasadach niz operony katabolizmu cukrow.

Na operon laktozowy składają się promotor, operator oraz sprzężone ze sobą strukturalnie i funkcjonalnie 3 geny strukturalne (enzymy, które dzięki aktywności tych genów powstaną są niezbędnie potrzebne do fermentacji laktozy). Przy obecności glukozy w pożywce, na której rosną bakterie, geny odpowiedzialne za fermentację laktozy są "zablokowane". Wyczerpanie w podłożu glukozy i obecność w nim laktozy powodują zniesienie represji trzech genów odpowiedzialnych za rozkład laktozy. Po starannym przeczytaniu tekstu i przeanalizowaniu poniższych rysunków rozwiąż kolejne zadania.

Ad.34

Wszystkie monosacharydy posiadają właściwości redukcyjne, czyli dają pozytywny wynik prób zarówno Tollensa, jak i Trommera. Mówimy że cukry są redukujące, gdyż:

• grupa aldehydowa w tych cukrach w reakcji z odczynnikiem redukuje go, natomias sama ulega utlenieniu do grupy karboksylowej;

• grupa ketonowa w tych cukrach ulega reakcji enolizacji tworząc epimery (dwie aldozy i jedną ketozę). Aldozy w dalszej reakcji wykazują właściwości redukujące (są odczynnikiem redukującym w dalszej reakcji cukrów).

Prawie wszystkie węglowodany są optycznie czynne. Zwykle tylko jeden z dwóch stereoizomerów jest biologicznie aktywny.

Większość disacharydów (za wyjątkiem sacharozy) wykazuje właściwości redukcyjne.

Polisacharydy nie wykazują właściwości redukcyjnych. Wiąże się to z bardzo małą ilością wolnych grup funkcyjnych (grupa ketonowa) w długich łańcuchach cukrowych.

Ad.37

Celuloza - to główny cukier budulcowy roślin.
Celuloza, pektyny, hemicelulozy, lignina, gumy i śluzy stanowią tzw. błonnik. Nie jest on trawiony w przewodzie pokarmowym człowieka ze względu na brak odpowiednich enzymów. Ma bardzo duże znaczenie, choć nie pełni funkcji odżywczej. Usprawnia perystaltykę jelit, dzięki czemu zapobiega zaleganiu pokarmu i jego gniciu. Ma także zdolność wiązania wody, zwiększa więc objętość kału zapobiegając nowotworom jelita grubego. Absorbuje na swojej powierzchni cholesterol, działając przeciw-miażdżycowo. Błonnik jest też pożywką dla bakterii symbiotycznych żyjących głównie w jelicie grubym. Bakterie te są źródłem cennych witamin, aminokwasów i hormonów.

Celuloza, błonnik, jest to nierozgałęziony biopolimer o cząsteczkach złożonych z kilkuset do kilkunastu tysięcy jednostek glukozy połączonych wiązaniami β-1,4-glikozydowymi.

Celuloza wchodzi w skład ścian komórkowych większości roślin, niekiedy stanowiąc kilkadziesiąt procent ich suchej masy drzewa. Obok ligniny jest to jeden z najpowszechniej występujących biopolimerów. Mimo że jest niezmodyfikowanym wielocukrem, jej znaczenie jako substancji pokarmowej dla organizmów wyższych jest ograniczone. Większość zwierząt nie ma enzymów, które umożliwiałyby rozkład celulozy. Niektórzy roślinożercy posługują się w tym celu symbiotycznymi bakteriami lub pierwotniakami (np. termity czy parzystokopytne), inni celulozę po prostu wydalają (np. koniowate).

Celuloza stanowi cenny surowiec. Nieprzetworzona, jako składnik drewna, jest jednym z pierwszych materiałów stosowanych przez człowieka. Przetworzona mechanicznie jest głównym składnikiem papieru i tektury. Wreszcie przekształcona chemicznie wchodzi w skład różnych produktów chemii przemysłowej.

Celuloza jest praktycznie nierozpuszczalna w większości rozpuszczalników organicznych, jednak można ją rozpuścić w stężonym roztworze kwasu octowego lub NaOH. W obu przypadkach proces rozpuszczania jest połączony z reakcjami chemicznymi wolnych grup hydroksylowych z kwasem lub NaOH.

W wyniku reakcji z kwasem octowym powstaje rozpuszczalny w wodzie octan celulozy, który po wytrąceniu roztworem NaOH jest dobrym polimerem włóknotwórczym, zwanym sztucznym jedwabiem. Z octanu celulozy produkowano także niegdyś płyty gramofonowe. Z kolei w wyniku przetłoczenia roztworu celulozy w NaOH przez sita zanurzone w mieszaninie kwasu siarkowego i dwusiarczku węgla uzyskuje się włókno wiskozowe powszechnie stosowane do produkcji bandaży, gazy wyjałowionej i innych materiałów opatrunkowych.

W reakcji z kwasem azotowym uzyskuje się azotan celulozy, znany też jako bawełna strzelnicza, materiał wybuchowy stosowany dość powszechnie w XIX wieku.

Pektyna grupa węglowodanów złożonych ze ścian komórek roślinnych. Pektyny różnią się między sobą długością łańcucha, składem i sekwencją jednostek monosacharydów. W środowisku kwaśnym pektyny tworzą żel używany jako czynnik zagęszczający w przemyśle spożywczym.

Lignina - jeden z podstawowych składników drewna (obok celulozy i hemicelulozy). Jest substancją lepiszczową, powodującą zwartość struktury komórek drewna. Nadaje drewnu wytrzymałość i utrzymuje jego sztywność. Eliminacja ligniny (poprzez dodatek związków sodu) z drewna prowadzi do zmiękczenia substancji drzewnej, co jest procesem niezbędnym podczas produkcji papieru.

Lignina to także popularna nazwa rodzaju miękkiej, białej, marszczonej bibuły, która jest produktem odpadowym przy otrzymywaniu papieru z drewna. Lignina jest stosowana jako tani wypełniacz opakowań oraz materiał do czyszczenia, który łatwo wchłania znaczne ilości wody.

Hemicelulozy, związki wielocukrowe (polisacharydy) występujące obok celulozy i ligniny w ścianach komórkowych zdrewniałych tkanek roślinnych. Hemicelulozy spełniają rolę substancji zapasowych...

Ad.38

Skrobia jest złożonym węglowodanem, polisacharydem roślinnym. Podobnie do celulozy jest złożona wyłącznie z cząsteczek glukozy, jednak łączą się one wiązaniami α-1,4-glikozydowymi. Skrobia hydrolizuje wyłącznie na alfa-D-glukozę, lecz nie jest jednorodnym chemicznie związkiem - składa się z dwóch polisacharydów odmiennie zbudowanych: z nierozgałęzionej amylozy łatwiej rozpuszczalnej w wodzie i rozgałęzionej amylopektyny, z reguły w stosunku ilościowym 22-30% : 70-78%. Rozgałęzienia powstają dzięki wiązaniom α-1,6-glikozydowym.

Skrobia tworzy roztwory koloidowe. Jednoprocentowy roztwór wodny skrobi jest używany do wykrywania jodu cząsteczkowego, z którym tworzy zabarwienie niebieskie w wyniku adsorpcji jodu na cząstkach skrobi. W trakcie hydrolizy kwasowej skrobia rozpada się na coraz krótsze łańcuchy polisacharydowe tworząc kolejno:

• amylodekstryny (barwiące się z I₂ na niebiesko),

• erytrodekstryny (barwiące się z I₂ na czerwono),

• achrodekstryny (niebarwiące się z I₂) i

• maltozę i glukozę.

Wykryć skrobię można za pomocą jodu, najczęściej w formie jodyny lub roztworu jodu w jodku potasu. Skrobia w obecności jodu barwi się na kolor ciemnoniebieski lub granatowy. Obserwowana pod mikroskopem, w świetle spolaryzowanym daje charakterystyczny obraz - na tle ziaren skrobii widać ciemny krzyż, miejscem skrzyżowania ramion jest ośrodek ziarna.

Skrobia jest najważniejszym polisacharydem zapasowym u roślin, które magazynują go w owocach, nasionach, korzeniach w formie ziaren w liściach, bulwach, rdzeniu łodygi i kłączach. Szczególnie bogate w skrobię są ziarna zbóż i bulwy ziemniaka. Odkłada się w komórkach roślin w postaci ziaren lub granulek, których wielkość i kształt są charakterystyczne dla poszczególnych gatunków roślin. Ziarna skrobii mają średnicę 2-120 µm, zależnie od pochodzenia mają różne właściwości i wygląd. Rozróżnia się skrobię ziemniaczaną, pszenną, kukurydzianą itp. Skrobia jest białym, bezpostaciowym proszkiem bez smaku i zapachu, nierozuszczalnym w zimnej wodzie; stanowi podstawowy składnik pożywienia człowieka; skrobia i niektóre jej pochodne (np. estry, produkty degradacji i utlenienia, częściowej hydrolizy) mają zastosowanie w przemyśle włókienniczym, farmaceutycznym, kosmetycznym, papierniczym, tekstylnym oraz do produkcji klejów.

Glikogen - biopolimer - polisacharyd (wielocukier) zbudowany z glukozy i gromadzony w wątrobie i (w mniejszym stopniu) w tkance mięśniowej. Jest głównym wielocukrowcem stanowiącym materiał zapasowy w komórkach zwierzęcych. Ma strukturę podobna do amylopektyny, tylko, że jego cząsteczki są bardziej rozgałęzione i jego łańcuchy są krótsze. Rozgałęzienie następuje co 8-12 reszt glukozy. W tych narządach glikogen w miarę potrzeby może być szybko rozkładany do glukozy. Do najbogatszych w ten materiał zapasowy tkanek należą granulocyty, mieśnie szkieletowe wątroby, mieśnie gładkie, mięsień sercowy i mózg. Rozkład glikogenu przebiega dwoma torami: fosforolitycznym i hydrolitycznym.

Ad.39

Sacharoza prawidłowo: cukroza to dwucukier będący zasadniczym składnikiem cukru trzcinowego i cukru buraczanego. Należy do węglowodanów.

Sacharoza jest bezbarwnym ciałem stałym o budowie krystalicznej. Jest nietoksyczna, ma słodki smak i bardzo dobrze rozpuszcza się w wodzie. Jej gęstość to 1590 kg/m³

Sacharoza nie ma właściwości redukujących, o czym świadczy negatywny wynik próby Trommera. Jeśli dodamy kwas solny to wynik będzie pozytywny. (Nastąpi hydroliza sacharozy do glukozy i fruktozy, a glukoza ma właściwości redukujące).

Reakcja hydrolizy sacharozy :

C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O (HCl, enzymy) -------> C₆H₁₂O₆ + C₆H₁₂O₆
____↑_______↑________________↑_______↑_________↑__
sacharoza__woda___________hydroliza_glukoza___fruktoza

Laktoza czyli cukier mlekowy (z łac. lac - mleko) jest dwucukrem, zbudowanym z D-galaktozy i D-glukozy, występującym w mleku ssaków. Zawartość laktozy:

• mleko krowie - 4,5%

• mleko ludzkie - 5,5-7,5%

Chemicznie jest to bezbarwna substancja stała o temperaturze topnienia 225°C, rozpuszczalna w wodzie, słabo rozpuszczalna w alkoholu i nierozpuszczalna w eterze. Enzym trawienny laktaza rozkłada laktozę na cukry proste, które ulegają wchłanianiu (absorpcji jelitowej). Niedobór tego enzymu prowadzi do schorzenia nietolerancji laktozy.

Laktoza pod wpływem bakterii mlekowych ulega fermentacji z wytworzeniem kwasu mlekowego. Otrzymuje się ją z serwatki podczas produkcji sera. Stosowana w przemyśle farmaceutycznym jako wypełniacz, w lecznictwie, przemyśle spożywczym i w pirotechnice.

Maltoza zwana inaczej cukier słodowy. Jest to dwucukier zbudowany z dwóch cząsteczek glukozy, połączonych wiązaniem α-1,4 glikozydowym. Fermentuje. Otrzymywany przez hydrolizę skrobi, stosowany jako środek słodzący, do pożywek bakteriologicznych, stabilizator wielosiarczków.

Celobioza (C₁₂H₂₂O₁₁) - dwucukier, zbudowany z dwóch cząsteczek D-glukozy, połączonych wiązaniem β 1, 4. Jest to jednostka strukturalna celulozy i produkt jej hydrolizy.Jest to dwucukier redukujący, nie występujący powszechnie w stanie wolnym w roślinach, lecz jest przejściowym produktem degradacji celulozy. Jest sacharydem nieprzyswajalnym przez człowieka.

Ad.40

1. Budowa i podział
Są to związki organiczne zwane cukrami, zbudowanie z węgla, wodoru i tlenu. Stosunek wodoru do tlenu jest taki sam, jak w wodzie wynosi 2:1.
Węglowodany zawierają kilka i więcej grup hydroksylanowych (-OH) i co najmniej jedną grupę karbonylową: aldehydową (-COH) lub ketonowa, ( CO). Obejmują związki przyswajalne i nieprzyswajalne. Syntezy zwane są głównie przez rośliny z dwutlenku węgla i wody w procesie fotosyntezy wchodzą a skład produktów spożywczych w postaci cukrów prostych, dwucukrów, skrobi i błonnika.
Ze względu na wielkość cząsteczek dzielimy je na:

a) Cukry proste - monosachatydy

b) Węglowodany złożone
- digosacharydy, w czasie ich hydrolizy powstaje nie więcej niż 6 cząsteczek monosacharydów
- polisacharydy - wielocząsteczkowe polimery zbudowane z monosacharydów, w czasie hydrolizy powstaje z nich więcej niż 6 cząsteczek monosacharydów.

Cukry proste - monosacharydy
- Opisywane są ogólnym wzorem Cn (H2O)n
- Nie ulegają hydrolizie do form prostszych
- Zawierają od 3 do 10 atomów węglów cząsteczek
- Wszystkie monosacharydy SA substancjami bezbarwnymi, krystalicznymi
rozpuszczalnymi w wodzie, bardzo słabo rozpuszczalnymi w alkoholu,
nierozpuszczalnymi w tłuszczach i rozpuszczalnikach organicznych. Mają
słodki smak i trudno krystalizują.
- Ulegają przekształceniu w formie ufosforylowanej
- Łatwo łączą się z kwasami tworząc estry. Ważne są estry cukrów z kwasem
fosforowym, wchodzą one w skład kwasów nukleinowych, biorą udział w
przemianach cukrów.
- Cukry - alaozy (pod wpływem enzymów udziałem NADPH-
uwodorowanego fosforanu dinukleotydu nikotynamidoade naukowe, np.
glukoza przekształca się w sorbta - związek występujący w wielu owocach, a
mannowa tworzy mannica.



Ryc. Przekształcanie cukrów w alkohole.

H O
O (+2H) CH2OH
I
R


- Monosacharydy zawierające grupę aldehydową łatwo się utleniają. Utlenienie grupy aldehydowej prowadzi do wytworzenia kwasów - onowych, a utlenienie ostatniej grupy aldehydowej do powstania kwasów - uronowych
(np. kwas D - glukuronowy - bierze on udział w wydalaniu z ustroju z moczem obcych substancji np. leków lub ich metabolitów; kwas hialuronowy, składnik mukopelisachorydów, mukoprotein występuje w skórze, ciałku Szklistym oka, otoczce komórki jajowej, pępowinie. Pochodzą cukrów prostych jest także kwas askorbinowy (witamina c).
- Cukry z grupą aldehydową, w mniejszym stopniu ketonową mają zdolności redukowania soli metali ciężkich lub jodu. Zjawisko to wykorzystuje się do oznaczania zawartości cukru w roztworach i materiale biologicznym ( moczu, krwi).
- Mają zdolności wytwarzania wiązań Gukozydowych. Wiązania gukozydowe tworzy się między dwiema grupami - OH z wyłączeniem cząsteczki wody - Grupa - OH wchodzące w reakcje dołączone jest do węgla półacetalowego (glikozydowego). Drugą grupę - OH może stanowić również grupę przytoczoną do glikozydowego atomu węgla lub, którejkolwiek grupy alkoholowej.




Węglowodany złożone

oligosacharydy polisacharydy


1. Oligosacharydy są to cukry złożone o stosunkowo małej masie cząsteczkowej. Pod względem właściwości podobne są do monosacharydów. W większości przypadków mają smak słodki i są rozpuszczalne w wodzie. Najważniejsze z nich to dwucukry o wzorze (12H22O11).
Disacharydy - dwucukry zbudowane z cząsteczek monosacharydów połączonych wiązaniem glukozydowym ulegają hydrolizie pod wpływem enzymów lub kwasów według równania:
C12H22O11+H2O- C6H12O6+C6H12O6
Należą do węglowodanów łatwo przyswajalnych przez człowieka.
Nazwa chemiczna disacharydów uwzględnia:
- nazwę cukrów prostych
- charakter wiązania glikozydowego Alfa lub Beta
- liczbę przypadkową atomu węgla, z którym wytworzone zostało wiązanie glikozydowe
Do najczęściej występujących w naturze disacharydów należą: sacharoza, laktoza, maltoza, trehaloza, celobioza
a) Sacharoza-(glukoza + fruktoza), nazywana także cukrem trzcinowym, lub buraczanym, a w życiu codziennym potocznie cukrem. Zbudowana jest z cząstek D- glukozy i D- fruktozy połączonych wiązaniem. 1-2 glikozydowym. Występuje w większych ilościach trzcinie cukrowej, burakach cukrowych, a także w niektórych owocach (ananasy) i warzywach (marchew). Doskonale rozpuszcza się w wodzie, nie ma właściwości redukujących.
b) Laktoza- (glukoza + galaktoza) cukier mleczny złożony z cząsteczek
D- glukozy i D- galaktozy. Ma wiązanie typu 1- 4 beta. Występuje w mleku wszystkich zwierząt ssących np. mleko kobiece zawiera jej około 7%, a mleko krowie około 4%. Jest mniej słodka od sacharozy, rozpuszczalna w wodzie, ma właściwości redukujące. Laktoza metabolizowana jest przez bakterie LACTOBACILLUS CASEI do kwasu mlekowego, który powoduje kwaśnienie mleka. Może pojawić się w moczu w czasie ciąży. Niedobór enzymu laktozy wywołuje zaburzenia wchłaniania laktozy objawiające się wzdęciami i biegunką.
c) Maltoza- ( glukoza+ glukoza ), cukier słodowy. Jest zbudowana z dwóch cząsteczek D-glukozy ma wiązanie glikozydowe typu 1-4 alfa. Rzadko występuje w stanie wolnym, jest przejściowym produktem hydrolizy skrobi i glikogenu. Występuje w dużych ilościach w słodzie (skiełkowanych ziarnach zbóż, zwłaszcza jęczmienia, bogatych w enzymy hydrolizujące skrobię). Rozpuszcza się doskonale w wodzie, ma właściwości redukujące. Służy do produkcji odzywek dla dzieci, preparatów dietetycznych, cukierków, jest wykorzystywana w piwowarstwie, gorzelnictwie, piekarnictwie.
d) Trehaloza- (glukoza + glukoza)- główny składnik hemolinfy owadów, występuje także w grzybach, drożdżach.
e) Celobioza- (glukoza +glukoza)- jest podstawową jednostką celulozy. Powstaje pośrednio podczas hydrolizy celulozy.

2. Polisacharydy- wielocukry
Są to wielocząsteczkowe polimery zbudowane z monosacharydów. Polisacharydy w większości nie rozpuszczają się w wodzie, nie są słodkie.
Są szczególnie rozpowszechnione w świecie roślinnym. Pełną funkcję:
- zapasowe ( skrobia- w bulwach, nasionach:glikogen w organizmach zwierzęcych).
- strukturalne (błonnik, celuloza uosłonic, chityna u owadów i skorupiaków).
Biorąc pod uwagę ich przyswajalność przez człowieka, dzielimy je na:
• polisacharydy przyswajalne: skrobia, glikogen.
• polisacharydy nieprzyswajalne: błonnik pokarmowy


Skrobia jest materiałem zapasowym roślin, odkładanym w postaci ziarenek, które występują pojedynczo, złożenie lub są zespolone w skupienia tzw. agregaty. Kształt ziarenek i ich wielkość zależy od rodzaju rośliny na tej podstawie można określić ich pochodzenie. Ziarna skrobiowe nie są jednorodną substancja węglowodanową. Składają się z dwóch różnych cukrów: amylozy i amylopektyny. Skrobię zawierają ziarna zbóż ( około 75%), ziemniaki (20%), kukurydza (80%). Niewielkie jej ilości występują w warzywach orzechach. W postaci surowej jest trudnostarawna, dlatego produkty zawierające skrobię przed spożyciem należy poddać obróbce termicznej. Obróbka cieplna powoduje rozkład skrobi na rozpuszczalnej wodzie łatwiej strawnych dekstryny zawierające do 30 cząstek glukozy. Dekstryny występują m. n. w skórce pieczywa, grzankach, cieście, zasmażce. W przewodzie pokarmowym skrobia hydrolizowana jest do dekstryn, izomaltozy, maltozy i glukozy.


Glikogen - zwany skrobią zwierzęcą stanowi zapasowy materiał energetyczny ustroju. Występują w wątrobie, mięśniach, nerkach, mięśniu sercowym, w mózgu, płytkach krwi. W niewielkich ilościach znajduje się także w grzybach, w glonach, drożdżach. Zawarty jest również w wątrobie. Ilość glikogenu zależy od odżywiania i pracy mięśni. Głód i ciężka praca wzmagają zapotrzebowanie na niego. Większa zawartość glikogenu w wątrobie jest korzystna, ponieważ zmniejsza katabolizm białek, które mogą być wykorzystywane do celów budulcowych, detoksykacji organizmu oraz zmniejsza tworzenie się ciał ketonowych w ustroju.


Rola węglowodanów przyswajalnych

Węglowodany są głównym źródłem energii, dla organizmu ludzkiego. Po strawieniu i wchłonięciu do tkanek w formie glukozy są utleniane, do CO2 i H2O, dając energię, która jest wykorzystywana w miarę potrzeb ustroju. Węglowodany dostarczają w codziennym pożywieniu około 50-60% energii. Ze spalania 1g węglowodanów uzyskuje się 4kcal, tj.16,7Kj.Węglowodany konieczne są do utleniania kwasów tłuszczowych, do CO2 i H20.W przypadku niedostatecznej ilości węglowodanów przyswajalnych w pożywieniu(poniżej 100g \dobę), dochodzi do niecałkowitego spalania kwasów tłuszczowych powstawania ciał ketonowych zakwaszających organizm. Dlatego słuszne jest powiedzenie, że „tłuszcze spalają się w ogniu węglowodanów”. Węglowodany nadają także cech organoleptycznych produktom spożywczym i potrawą, biorą udział w tworzeniu smaku, konsystencji, barwy.


Węglowodany nieprzyswajalne-błonnik pokarmowy


Błonnik pokarmowy zwany także włóknem pokarmowym, to roślinne wielocukry i ligniny, oporne na działanie enzymów trawiennych przewodu pokarmowego człowieka. Błonnik jest substancją niejednorodną. Działanie błonnika pokarmowego jest różnorodne. Do wyzwolenia jego funkcji niezbędna jest woda. Błonnik nierozpuszczalny w wodzie ma istotny wpływ na pracę przewodu pokarmowego. Substancja ta:
-pobudza funkcje żucia, wydzielania śliny działającej ochronnie na zęby
-wykazuje zdolność wiązania wody
-buforuje i wiąże nadmiar kwasu solnego w żołądku,
-wpływa na wydzielanie hormonów przewodu pokarmowego(gastryny)
-zwiększa objętość treści pokarmowej w jelicie cienkim
-wpływa na zwiększone wydzielanie soków trawiennych
-pobudza ukrwienie jelit
-przez mechaniczne drażnienie ścian jelita grubego wpływa na jego perystaltykę
-chroni przed zaparciami uchyłkowatością jelit, polipami, żylakami odbytu i chorobą nowotworową
-zmniejsza wartość energetyczną diety i daje uczucie sytości



Zawartość węglowodanów w produktach spożywczych

Źródłem węglowodanów są produkty roślinne. Największe ich ilości zawierają zboża(55-80%). Jest to przede wszystkim skrobia. Bogate w skrobie są również suche nasiona roślin strączkowych(około 60%) oraz ziemniaki(16%). Węglowodanów dostarczają nam także owoce i warzywa. W owocach występuje głównie fruktoza i glukoza, znikomych ilościach sacharoza, wyjątkowo dużo sacharozy zawierają daktyle. Ilość cukrów w warzywach jest zróżnicowana, wynosi 4-12%. Oprócz cukrów rozpuszczalnych i skrobi w produktach tych występuje w licznych ilościach błonnik pokarmowy.

Zapotrzebowanie na węglowodany


Według najnowszych zaleceń węglowodany powinny dostarczać 50-70% dobowego zapotrzebowania na energię. Należy je spożywać głównie w postaci skrobi, występującej w produktach zbożowych, ziemniakach, mosznach roślin strączkowych.
Produkty zbożowe z grubego przemiału są najcenniejsze, gdyż oprócz skrobi zawierają błonnik pokarmowy nierozpuszczalny, magnez, żelazo, witaminę B, niacynę, cynk. Suche nasiona roślin strączkowych mają dużo białka o stosunkowo dużej wartości biologicznej, a także tłuszcz, sporo witamin, B1, B2, PP, składniki mineralne: wapń, fosfor, żelazo oraz błonnik pokarmowy- rozpuszczalny. Ziemniaki krótko przechowywane mają znaczne ilości witaminy C. Oprócz wymienionych produktów źródłem węglowodanów są także warzywa
i owoce, które obfitują w potas, magnez, karotenoidy, witaminę C.

Ad.43

Błona biologiczna, inaczej biomembrana, kompleks białkowo-lipidowy będący jedną z podstawowych struktur budowy komórki organizmów prokariotycznych i eukariotycznych.

Błonę biologiczną charakteryzują:

• asymetria;

• płynność;

• półprzepuszczalność;

Struktura błony biologicznej i jej właściwości ze strukturą powiązane

Jest ona złożona z dwóch warstw lipidów, do których należą fosfolipidy, glikolipidy oraz steroidy oraz białek.

Charakterystyczną budowę błony zapewnia amfipatyczność cząsteczek - zbudowane są z apolarnego ogona węglowodorowego oraz polarnej głowy, dzięki czemu lipidy układają się w sferyczne pęcherzyki bądź właśnie dwuwarstwę.

Do lipidów błonowych należą:

• Fosfolipidy:

-fosfolipidy cholinowe: fosfatydylocholina (lecytyna) -fosfolipidy aminowe: fosfatydyloetanolamina, fosfatydyloinozytol, fosfatydyloseryna

• Glikolipidy:

-sfingoglikolipidy -glikolipidy obojętne, np. galaktocerebrozyd -glikolipidy kwaśne;

• steroidy - cholesterel lub estry cholesterolu (zwierzęta), fitosterole (rośliny). U prokariontów występują hopanoidy - inne lipidy cykliczne.

Asymetria dwuwarstwy Dwuwarstwa lipidowa jest asymetryczna. Największą asymetrią cechuje się błona komórkowa, znacznie mniejszą np. błony endoretikulum. Przejawem różnic asymetrii są na przykład różnice w szybkości ruchów międzybłonowych (flip-flop) pomiędzy poszczególnymi błonami. Obie monowarstwy dwuwarstwy lipidowej charakteryzują się różnym składem fosfolipidów, co wywołuje także różnice w ładunku błony. Sfingomielina oraz fosfatydyloseryna występują w dużej większości na niecytozolowej powierzchni błony, natomiast fosfatydyloetanolamina oraz fosfatydyloseryna po stronie wewnętrznej. Glikolipidy występują tylko po stronie pozacytozolowej. Ma to związek z ich miejscem powstawania. Drzewko cukrowcowe jest dołączane do lipidu w świetle aparatu Golgiego, a nie występują żadne flipazy pozwalające na przejście glikolipidu do drugiej części. Fosfolipidy inozytolowe uczestniczą w przekaźnictwie komórkowym - stąd ich obecność w monowarstwie cytozolowej. Cholesterol również jest rozmieszczony asymetrycznie. Jest charakterystyczny dla zewnętrznej części błony komórkowej - ta monowarstwa jest znacznie sztywniejsza. Na płynność wpływają także fosfolipidy cholinowe - jako znacznie bardziej nasycone. Duża ilość ujemnie fosfatydyloseryny w warstwie cytozolowej wpływa na ładunek ujemny wnętrza komówki.

Na asymetrię błony biologicznej poza asymetrią dwuwarstwy wpływa także charakterystyczne zorientowanie białek błonowych oraz obecność glikokaliksu.

Płynność dwuwarstwy Płynność dwuwarstwy lipidowej zależy od charakteru łańcuchów lipidów, ich długości oraz obecności cholesterolu. Im bardziej nasycone są łańcuchy tłuszczów, tym sztywniejsza jest błona. Nienasycenie zapewnia większą płynność. Obserwujemy to na przykładzie tłuszczów zwierzęcych (nasycone) - np. łój oraz tłuszczów roślinnych (nienasycone), np. olej. Na sztywność błony wpływa także obecność cholesterolu, który jak klin blokuje płynność łańcuchów. Krótkie łańcuchy są znacznie bardziej płynne od długich. Właściwości te wykorzystują m.in. drożdże i bakterie kontrolując skład swojej błony poprzez syntezę odpowiednich lipidów.

Półprzepuszczalność dwuwarstwy Błona komórkowa jest strukturą półprzepuszczalną (zob. membrana półprzepuszczalna).

Niektóre z białek znajdujących się w błonie komórkowej uczestniczą w aktywnym transporcie.

Różnice między błonami komórek Archaea a błonami komórek innych organizmów

U wszystkich organizmów poza archebakteriami, fosfolipidy wchodzące w skład błony komórkowej składają się głównie z D-glicerolu połączonego wiązaniem estrowym z nierozgałęzionymi kwasami tłuszczowymi, które nie reagują między sobą. Organizmy żyjące w wysokich temperaturach mają też dużo cholesteroli w błonach komórkowych.

Fosfolipidy błon komórkowych archebakterii składają się z L-glicerolu połączonego wiązaniem eterowym z łańcuchami powstałymi z izoprenu. Łańcuchy te mogą być rozgałęzione, mogą łączyć się ze sobą, mogą nawet łączyć się z fosfolipidami z przeciwnej warstwy błony. Te połączenia stabilizują błonę i umożliwiają niektórym Archaea życie w ekstremalnie wysokich temperaturach.

---