• Zagadnienia do wykładu z BIOCHEMII

• Wprowadzenie do Biochemii

1. Czym zajmuje się biochemia?

BIOCHEMIA - dyscyplina naukowa opisująca składniki chemiczne organizmów (biochemia statyczna) oraz przemiany tych składników (biochemia dynamiczna). Całość procesów życiowych tzn. ogół reakcji chemicznych w organizmie żywym nazywamy metabolizmem, a substancje uczestniczące w tych reakcjach nazywamy metabolitami.

2. Jakimi cechami charakteryzują się reakcje biochemiczne?

*regulowanie ich przebiegu przez biokatalizatory zwane enzymami

*powiązanie z określonymi strukturami komórkowymi

*istnienie precyzyjnych mechanizmów integrujących poszczególne reakcje i procesy biochemiczne

*wymaganie tzw. fizjologicznych warunków przebiegu reakcji

*skojarzenie z przemianami energetycznymi

Ta ostatnia cecha jest wspólna zarówno reakcjom biochemicznym jak również chemicznym.

3. Co oznacza powiązanie reakcji biochemicznych z określonymi strukturami komórkowymi?

W komórce zachodzą różnorodne życiowe procesy. Zachodzić mogą one jedynie
w określonych warunkach. Z tego względu w trakcie ewolucji komórka podawana była wielokrotnym przekształceniom, które prowadziły do wykształcenia struktur specjalistycznych, umożliwiających lub wspomagających zachodzenie poszczególnych procesów w sposób jak najbardziej efektywny i energooszczędny.

Budowa określonej struktury, jej właściwości, jak i obecność określonych enzymów posiadają ścisły związek z funkcją przez nią pełnioną, zatem również z zachodzącymi
w niej reakcjami biochemicznymi.

Przykłady:

- cytoplazma jest wielofazowym układem, zmieniającym łatwo własny stan skupienia. Czasem zachowuje się jak substancja półpłynna (zol), a czasem jak półstała (żel). Dzięki niemal obojętnemu pH, stanowi skupienia, a także obecności wielu enzymów stanowi środowisko dla większości reakcji biochemicznych.

- lizosomy są małymi, otoczonymi pojedynczą błoną organellami, które mają lityczne zdolności, dzięki zawartości szeregu enzymów trawiennych rozkładających białka, kwasy nukleinowe, lipidy oraz węglowodany.

- mitochondria są miejscem oddychania komórkowego. Błona zewnętrzna mitrochondrium jest gładka, a wewnętrzna - pofałdowana, posiada tzw. grzebienie po to, by stworzyć więcej miejsca na wytworzenie energii. W grzebieniach znajdują się kanały białkowe, tzw. oksysomy, na szczycie których powstaje nośnik energii ATP.

4. Jak należy rozumieć „istnienie precyzyjnych mechanizmów integrujących poszczególne reakcje i procesy biochemiczne”?

Jeżeli organizm funkcjonuje normalnie, każda reakcja, która w nim zachodzi wynika z jego potrzeb. Jeżeli dana komórka potrzebuje jakiegoś składnika to w zależności od dostępnych surowców wybiera określony szlak, aby go wytworzyć ( ten składnik).

5. Co to są „fizjologiczne warunki przebiegu reakcji biochemicznych”?
   

Aby dana reakcja nastąpiła muszą występować odpowiednie warunki: ciśnienie, temperatura, obecność substratu i enzymów niezbędnych do zajścia danej reakcji.

Dane reakcje mogą zajść tylko w odpowiednich warunkach, a niekiedy także muszą je poprzedzać odpowiednie procesy, bez których dana reakcja nie może zajść. Fizjologicznymi warunkami można nazwać te panujące w organizmach żywych i zapewniające trwałość oraz efektywne działanie enzymów białkowych. Np. temp. około 36,6 st C i pH około 7 w organizmie człowieka.

6. Czym różni się wiązanie jonowe od wiązania atomowego związków chemicznych?

W wiązaniu jonowym atom silnie elektroujemny przejmuje elektron(y) walencyjne atomu słabo elektroujemnego (elektrododatniego). W wiązaniu jonowym siły elektrostatyczne przyciągania zapewniają trwałość cząsteczkową.

W wiązanie kowalencyjne (atomowe) polega na uwspólnieniu elektronów walencyjnych przez parę atomów o jednakowej elektroujemności bądź elektroujemności zbliżonej (wiązanie kowalencyjne spolaryzowane).

7. Podaj nazwy głównych grup funkcyjnych związków chemicznych

-OH - grupa hydroksylowa

-CO0H - grupa karboksylowa

-CHO - grupa aldehydowa

=CO - grupa ketonowa

-NH₂ - grupa aminowa

-NO₂ - grupa nitrowa

- SO₃H - grupa sulfonowa

8. Na czym polega izomeria ketoenolowa? W jakich procesach biochemicznych ma ona znaczenie?

W cząsteczkach zawierających atomy wodoru i spolaryzowaną grupę funkcyjną, może wystąpić wędrówka protonu w ramach tej samej cząsteczki. Wędrówka taka możliwa jest w ketonach dzięki obecnej w nich grupie karbonylowej. Odwracalna wędrówka protonu od węgla do tlenu grupy karbonylowej prowadzi do zaistnienia równowagi dynamicznej dwóch form tego samego związku, które posiadają dwie różne grupy funkcyjne. Forma I jest ketonem, a druga II alkoholem (-ol) nienasyconym zawierającym wiązanie podwójne (-en) czyli „enolem”. Odmiany I i II nazywamy odpowiednio ketonową i enolową.

W organizmach żywych dominują związki o konfiguracji R, które prawidłowo spełniają swoje funkcje biologiczne, izomeria keto-enolowa nie jest specyficzna i powoduje, że pojawia się pewien procent konfiguracji S, które nie są przez organizm pożądane (uznawane wręcz jako toksyczne).

9. Na czym polega tautomeria związków organicznych?

TAUTOMERIA - współistnienie obok siebie dwóch odmian cząsteczek łatwo przekształcających się w siebie.

10. Co to są enancjomery?

ENACJOMERY - izomery optyczne, które są własnymi lustrzanymi odbiciami - jak prawa i lewa ręka (stąd nazwa „chiralny” dla atomu węgla w cząsteczce enancjomeru). Mogą istnieć tylko dwa enancjomery danego związku chemicznego. Niektóre enancjomery mają zdolność do skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego w prawo + lub lewo - , równo-cząsteczkowa mieszanina enacjomerów nie wykazuje optycznej czynności i nosi nazwę mieszaniny recemicznej

• Aminokwasy i białka

1. Jakie grupy funkcyjne występują w aminokwasach? Jaki charakter nadają one tym związkom?

Aminokwasy posiadają co najmniej dwie grupy funkcyjne: grupę aminową -NH₂ oraz grupę karboksylową -COOH. Nadają charakter amfoteryczny, czyli możliwość tworzenia jonów obojnaczych w roztworach wodnych. Gdy występuje więcej grup -NH2 aminokwas zaliczamy do zasadowych - np. glutamina, lizyna. Gdy występuje więcej grup -COOH aminokwas jest kwasowy - np. kw. glutaminowy. W aminokwasach występują także grupy -OH (obojętne),

2. Jak powstaje wiązanie peptydowe?

WIĄZANIE PEPTYDOWE - powstaje przez połączenie grupy karboksylowej (-COOH) jednego aminokwasu z grupą aminową (-NH₂) drugiego aminokwasu z wydzieleniem cząsteczki wody.

3. Jakie oddziaływania mogą występować pomiędzy łańcuchami bocznymi aminokwasów w białkach?

Mostki dwusiarczkowe, oddziaływania jonowe, wodorowe i hydrofobowe zilustrowane są kolejno od lewej do prawej strony

Występują też najsłabsze ze wszystkich wiązania van der Waalsa

4. Na czym polega oddziaływanie wodorowe (powstanie mostku wodorowego)?

Wiązanie wodorowe - rodzaj stosunkowo słabego wiązania chemicznego polegającego głównie na przyciąganiu elektrostatycznym między atomem wodoru i atomem elektroujemnym zawierającym wolne pary elektronowe. Klasyczne wiązanie wodorowe powstaje, gdy atom wodoru jest połączony wiązaniem kowalencyjnym z innym atomem o dużej elektroujemności (np. tlenem) i w ten sposób uzyskuje nadmiar ładunku dodatniego. W wyniku tego oddziaływania pierwotne, kowalencyjne wiązanie wodór - inny atom ulega częściowemu osłabieniu, powstaje zaś nowe, stosunkowo słabe wiązanie między wodorem i innym atomem (akceptorem wiązania wodorowego).

5. Co określa struktura pierwszorzędowa białek?

Struktura pierwszorzędowa - określa, w jaki sposób atomy w cząsteczkach białka są z sobą połączone wiązaniami kowalencyjnymi, czyli jak tworzą się łańcuchy. Inaczej struktura pierwszorzędowa określa kolejność aminokwasów w łańcuchu białkowym.

Określa, jakie aminokwasy w cząsteczkach białka są z sobą połączone wiązaniami peptydowymi, czyli jak tworzą się łańcuchy.

6. Co określa struktura drugorzędowa białek?

Określa dwie podstawowe formy występowania łańcuchów polipeptydowych - alfa helisa i forma harmonijkowa (pofałdowanej kartki), czyli w jaki sposób utworzone łańcuchy są ułożone w przestrzeni, czyli jakie formy przestrzenne (spirale, arkusze albo kule) tworzą one za pomocą wiązań wodorowych i innych oddziaływań, łączących różne łańcuchy lub różne części tego samego łańcucha

7. Co określa struktura trzeciorzędowa białek?

Określa najbardziej korzystne uporządkowanie przestrzenne poszczególnych części cząsteczki białka z punktu widzenia energetycznego; zależy od oddziaływań między łańcuchami bocznymi jednej lub większej liczby makrocząsteczek.

8. Co określa struktura czwartorzędowa białek?

Struktura czwartorzędowa - określa sposób przestrzennego powiązania kilku cząsteczek białkowych w jedną złożoną strukturę białka.

• Kataliza enzymatyczna

1. Jak zbudowany jest enzym?

ENZYM - rodzaj białek występujących naturalnie w organizmach żywych, których działanie sprowadza się do obniżenia energii aktywacji danych reakcji biochemicznych. Enzymy stanowią największą grupę tzw. biokatalizatorów.
Jeżeli enzym jest białkiem złożonym, to składa się z:

*części białkowej nazywanej apoenzymem

*części niebiałkowej nazywanej koenzymem lub grupą prostetyczną enzymu(trwale) (w zależności od rodzaju wiązania łączącego ją z apoenzymem)centrum aktywne.

Enzym (holoenzym) dzieli się na część białkową (apoenzym) i niebiałkową (kofektor), która może być trwale (grupa prostetyczna) lub nietrwale (koenzym) powiązana z holoenzymem

2. Jaki jest mechanizm katalitycznego działania enzymów?

Reakcja katalizowana przez enzym rozpoczyna się od związania substratów przez centrum aktywne i powstania przejściowego kompleksu enzym - substrat (E - S). Następnie zachodzi właściwa reakcja połączenia cząsteczki substratów w produkt reakcji albo rozłożenie substratu na mniejsze cząsteczki. Reakcja kończy się uwolnieniem produktów przez enzym. Cząsteczka enzymu nie zużywa się podczas reakcji i po uwolnieniu produktów jest gotowa do przyłączenia nowych substratów.

3. Co to jest energia aktywacji?

ENERGIA AKTYWACJI - energia, którą muszą mieć cząsteczki, aby były zdolne do określonej reakcji chemicznej; energia aktywacji wyraża się zwykle w kilodżulach na mol (kJ/mol) reagujących cząsteczek; im mniejsza jest energia aktywacji, tym reakcja zachodzi szybciej.

4. Jak odczyn wpływa na aktywność enzymów?

Do utrzymania aktywności katalitycznej enzymy wymagają odpowiedniego odczynu pH środowiska. Dla większości enzymów optymalne jest pH 5,5 - 7,4. Znane są jednak enzymy, które działają najlepiej w środowisku kwaśnym (np. pepsyna w pH 1,5 - 2,7) lub zasadowym (trypsyna, chymotrypsyna - pH 8-9).

Środowisko silnie kwaśne i silnie zasadowe z reguły działa na enzymy denaturująco, niszcząc nieodwracalnie ich aktywność. Niewielkie zmiany pH nie dezaktywują enzymu, ale obniżają szybkość reakcji, ponieważ wpływając na stopień jonizacji enzymu i substratu, zmieniają warunki tworzenia się kompleksu enzym - substrat. Dla większości enzymów optymalne jest środowisko obojętne lub słabo kwaśne.

Białkowa struktura enzymów determinuje szereg i podstawowych właściwości oraz uzależnia ich działanie od tych samych warunków i czynników, które wpływają na stan fizykochemiczny białek.

*Wartość pH decyduje o stanie jonizacji polarnych grup białka enzymatycznego. Dla każdego enzymu istnieje odpowiednia wartość pH (optimum), zapewniająca zarówno najodpowiedniejszy stan jonizacji jego cząsteczki jak też optymalne warunki dla przekształceń chemicznych substratu. Im pH jest odleglejsze od punktu optymalnego, tym wolniejszy jest przebieg reakcji enzymatycznej. Przy zbyt niskim lub wysokim pH dochodzić może do denaturacji białka, czyli zaniku jego właściwości (inaktywacja)

5. Wymień klasy enzymów.

*oksydoreduktazy - katalizujące reakcje utleniania i redukcji

*transferazy - katalizujące reakcje przenoszenia grup funkcyjnych

*hydrolazy - katalizujące reakcje hydrolizy, czyli rozpadu wiązań z udziałem wody

*liazy - katalizujące niehydrolityczne rozrywanie wiązań

*izomerazy - katalizujące reakcje izomeryzacji, czyli przegrupowania wewnątrzcząsteczkowego

* ligazy - katalizujące tworzenie wiązań połączone z hydrolizą ATP;

6. Jakie reakcje katalizują enzymy klasy ...........?

Oksydoreduktazy  enzymy, których funkcja katalityczna polega na odszczepieniu atomów wodoru z odpowiedniego donora (związku oddającego H+) i przenoszeniu ich na odpowiedni akceptor (związek przyjmujący H+)

Transferazy  enzymy te mają zdolność do przenoszenia pewnych grup atomów (np. grupę metylowa CH3,karboksylową, acetylowi i inne)

Hydrolazy  klasa obejmująca enzymy katalizujące procesy hydrolizy wiązań estrowych, eterowych i peptydowych. Hydrolityczne rozbijanie tych wiązań zachodzi z równoczesnym dołączeniem elementów cząsteczki wody H+ i OH-

Liazy  enzymy rozrywające wiązania: S-C, C-N, C-O, C-S oraz C-halogen.. w odróżnieniu od hydrolaz w procesie rozszczepienia wiązań przez liazy nie biorą udziału cząsteczki wody.

Ligazy  (syntetazy) katalizują wytwarzanie nowych wiązań kowalencyjnych

7. Co oznacza cząsteczkowość reakcji chemicznej?

CZĄSTECZKOWOŚC REAKCJI - liczba cząsteczek biorących udział w najwolniejszym stadium reakcji. Cząsteczkowość i rząd reakcji wyznacza się tylko eksperymentalnie nie można obliczyć ich teoretycznie. Przez cząsteczkowość reakcji rozumiemy także ilość cząsteczek substratów biorących udział w reakcji elementarnej, ilość cząsteczek, które muszą się spotkać w jednym miejscu i czasie, by reakcja mogła nastąpić.

8. Co oznacza praktycznie rzędowość reakcji chemicznej?

RZĘDOWOŚĆ REAKCJI CHEMICZNEJ - suma wykładników potęg, w których występują stężenia reagentów w równaniu opisującym szybkość reakcji chemicznej.

Jest to ilość cząsteczek decydująca o szybkości reakcji.

9. Równanie Michaelisa-Menten i jego interpretacja.

Równanie te opisuje szybkość reakcji enzymatycznej V =

Równanie to pozwala obliczyć kinetyczne parametry reakcji enzymatycznych (Km i Vmax).

Km -> stała Michaellisa odpowiada jakiemu stężeniu substratu [S] przy którym szybkość reakcji V równa jest połowie szybkości max w Vmax. Stanowi wartość charakterystyczną dla danego enzymu w odpowiednich warunkach pH i temperatury. Określa powinowactwo dla danego enzymu do substratu znajdując wartość Km, można tak dopierać stężenia substratu, aby osiągnąć stan nasycenia enzymu substratem.

Przy niskich stężeniach substratów reakcja jest pierwszego rzędu, natomiast przy wysokich stężeniach substratów reakcja jest rzędu zerowego.

10. Jakie korzyści wynikają z transformacji Lineweavera-Burka i

równania Michaelisa-Menten?

Transformacja LB polega na linearyzacji równania MM i pozwala ona na proste wyznaczenie stałej Michaelisa i maksymalnej szybkości reakcji (Vmax) przy określonej ilości enzymu.

Równanie MM opisuje zależność szybkości reakcji od stężenia substratu:

Postać K_m = [S] jest matematycznym zapisem definicji stałej Michaelisa. Analizując równanie Michaelisa-Menten można dojść do wniosku, iż przy stałym stężeniu enzymu, szybkość reakcji w pewnych granicach zależy od stężenia substratu, na wykresie zależności szybkości reakcji od stężenia substratu widać że:

• przy niewielkim stężeniu substratu w stosunku do stężenia enzymu, pojawia się zależność liniowa, między stężeniem substratu a szybkością reakcji, ta sytuacja odpowiada reakcji kinetycznej pierwszego rzędu opisywanej równaniem v = k[A]

• w przypadku dużego stężenia substratu, szybkość reakcji zbliża się do jej maksymalnej wartości i stężenie substratu nie ma wpływu na szybkość reakcji, sytuacja ta odpowiada kinetyce zerowego rzędu opisywanej równaniem v = k. Tego typu reakcja ma miejsce w przypadku całkowitego wysycenia enzymu substratem.

11. Na czym polega inhibicja kompetycyjna?

INHIBICJA KOMPETECYJNA - sposób hamowania działania enzymu. Cząsteczka będąca inhibitorem ma podobną budowę do substratu hamowanego enzymu. Inhibitor wchodzi w centrum aktywne enzymu , blokuje centrum aktywne i uniemożliwia łączenie enzymu z substratem.

12. Na czym polega inhibicja niekompetycyjna

INHIBICJA NIEKOMPETECYJNA - mechanizm hamowania aktywności enzymu. Cząsteczka działająca jako inhibitor nie wchodzi w centrum aktywne enzymu, ale przyłącza się do innego miejsca na cząsteczce enzymu i hamuje jego działanie.

• Łańcuch oddechowy

1. Rola łańcucha oddechowego.

Celem łańcucha oddechowego jest dostarczenie komórce energii. Proces ten zachodzi stopniowo, ponieważ komórka chroni w ten sposób struktury białkowe przed denaturacją. Wydzielana porcjami energia może być odpowiednio „zagospodarowana”.

2. ATP - budowa i właściwości

Jest to uniwersalny przenośnik energii użytecznej biologicznie  adenozynotrifosforan. Cząsteczka substancji organicznych w których występuje wiązanie wysokoenergetyczne.(zawierające znaczną ilość energii swobodnej)

ATP pod względem chemicznym jest zmodyfikowanym nukleotydem zbudowanym z

• zasady azotowej - adeniny,

• cukru - rybozy (tworzą one adenozynę) oraz z

• trzech reszt fosforanowych.

Między resztami fosforanowymi występują dwa wysokoenergetyczne wiązania bezwodnikowe, których zerwanie powoduje uwolnienie określonych porcji energii. ATP w procesie rozpadu - hydrolizy - odłącza jedną resztę fosforanową i przekształca się w ADP - adenozynodwufosforan; odłączenie jednej reszty fosforanowej powoduje wydzielenie porcji energii równej 30,5 kJ/mol (7,3 kcal z 1 mola wiązań).

- ATP jest związkiem nietrwałym i nie może być wykorzystany w pracy ciągłej, nie może być również przenoszony na większe odległości, z jednej komórki do drugiej, ani w obrębie jednej komórki. W przypadku zwiększonego zapotrzebowania na energię w określonym rejonie komórki wytworzony ATP jest przenoszony w mitochondriach (wędrówka mitochondriów).




Rys. Budowa cząsteczki ATP (~ bezwodnikowe wiązanie wysokoenergetyczne)

Cząsteczki będące przenośnikami energetycznymi powinny mieć małą masę cząsteczkową, być dobrze rozpuszczalne w wodzie i zbudowane ze składników powszechnie występujących w komórce.

3. Jakie znaczenie ma występowanie szeregu przenośników w łańcuchu oddechowym(dlaczego procesy te nie są jednostopniowe?).

Przenośniki te pozwalają na stopniowe uwalnianie energii, dzięki czemu wysoka ilość energii powstająca w reakcji nie prowadzi do denaturacji białek organizmu. Co wyjaśnia nam wielostopniowość powyższych procesów.

4. Co decyduje o uszeregowaniu poszczególnych przenośników w łańcuchu oddechowym?

Potencjał oksyredukcyjny wyrażający liczbowo powinowactwo poszczególnych przenośników łańcucha oddechowego do elektronów.

Szlak łańcucha oddechowego jest zlokalizowany w wewnętrznej błonie mitochondriów. Składa się on z szeregu przekaźników elektronowych (enzymów) zatopionych w błonie. Elektrony pochodzące z utleniania NADH i FADH₂ zaczynają płynąć (prąd elektryczny) przez przenośniki zawarte w błonie. Polega to na redukcji kolejnych przekaźników przez poprzednie. O kierunku przepływu prądu decyduje potencjał oksydoredukcyjny przenośnika, im wyższy potencjał tym łatwiej przekaźnik przyjmuje elektrony. Enzymy łańcucha oddechowego uszeregowane są w błonach według rosnącego potencjału oksydoredukcyjnego. Końcowy akceptor elektronów to tlen cząsteczkowy, który redukuje się do wody (stąd w równaniu sumarycznym utleniania po stronie produktów znajduje się woda).

5. Dlaczego oddychanie tlenowe jest bardziej energodajne w porównaniu z procesami beztlenowymi?

Proces oddychania beztlenowego kończy się na etapie glikolizy oraz przemianie jej produktów, natomiast oddychanie tlenowe składa się z trzech etapów: glikolizy, cyklu Krebsa i łańcucha oddechowego.

W procesie oddychania beztlenowego mamy do czynienia z częściowym utlenieniem substratu oddechowego, natomiast w oddychaniu tlenowym jest to proces całkowity.

Liczba uzyskanych moli ATP z jednego mola glukozy w oddychaniu beztlenowym wynosi 4 ATP, co daje zysk energetyczny równy 2 ATP w przypadku oddychania tlenowego powstaje 38 ATP dających zysk energetyczny równy 36 ATP. Dwa ATP są zorywane na transport cząsteczek między cytoplazmą gdzie zachodzi glikoliza, a mitochondrium gdzie zachodzi cykl Krebsa i łańcuch oddechowy.

• Metabolizm tłuszczów

1. Czym są tłuszcze z chemicznego punktu widzenia?

Tłuszcze (lipidy)- są estrami wyższych kwasów organicznych (kwasów tłuszczowych) oraz alkoholu trójwodorotlenowego (gliceryny) lub wyższych alkoholi jednowodorotlenowych. Ich cechą wspólną jest:

1. Względna nierozpuszczalność w wodzie

2. Rozpuszczalność w rozpuszczalnikach organicznych tj. eter, chloroform, benzen, itp.

2. Jakie kwasy tłuszczowe występują zazwyczaj w tłuszczach właściwych? Podaj ich wzory.

Tłuszcze właściwe (glicerydy) to estry glicerolu i kwasów tłuszczowych. Przykładem takiego tłuszczu jest tristearynian glicerolu, w którego cząsteczce wszystkie 3 grupy hydroksylowe glicerolu (gliceryny) zostały zestryfikowane cząsteczkami kwasu stearynowego. W reakcję z glicerolem mogą jednak wchodzić różne kwasy tłuszczowe i to między innymi decyduje o różnorodności tłuszczów właściwych.

Najważniejszymi kwasami tłuszczowymi o charakterze nasyconym wchodzącymi w skład glicerydów są:

Kwas palmitynowy CH3(CH2)14COOH

Kwas stearynowy CH3(CH2)16COOH

Kwas masłowy Kwas butanowy CH3(CH2)2COOH

Kwas walerianowy Kwas pentanowy CH3(CH2)3COOH

Kwas kapronowy Kwas heksanowy CH3(CH2)4COOH

Kwas enantowy Kwas heptanowy CH3(CH2)5COOH

Kwasami tłuszczowymi o charakterze nienasyconym są:

• kwas oleinowy CH₃(CH₂)₇CH=CH(CH₂)₇COOH

• kwas linolowy CH₃(CH₂)₄CH=CH-CH₂-CH=CH(CH₂)₇COOH

• Kwas linolenowy CH₃CH₂CH=CHCH₂CH=CHCH₂CH=CH(CH₂)₇COOH

3. Na czym polega beta-oksydacja (bez rysowania schematu)?

Kwasy tłuszczowe ulegają rozłożeniu w procesie b-oksydacji. Polega ona na cyklicznym odłączeniu reszty kwasu octowego połączonej z koenzymem A, która zostaje rozłożona w cyklu Krebsa. Łańcuch jest w ten sposób krótszy o dwa atomy węgla po każdym przebiegu cyklu.

Jeśli kwas tłuszczowy miał parzystą liczbę atomów węgla, to pod koniec ostatniego cyklu acylo-CoA ma 4 atomy węgla i jest rozszczepiany na 2 cząsteczki acetylo-CoA. W przypadku kwasów o nieparzystej liczbie węgla, acylo-CoA zawiera 5 atomów węgla i rozszczepia się na trzywęglowy propionylo-CoA oraz dwuwęglowy acetylo-CoA.
Proces zachodzi w mitochondriach w komórkach eukariotycznych i w cytozolu u prokariotów.

1 Utlenienie

2 Uwodnienie

3 Utlenienie

4 Tioliza

4. Jaki jest pierwszy etap beta-oksydacji?

Utworzenie acylo -SCoA, czyli przeprowadzenie cząsteczki kwasu w postać aktywną, związaną jako tioester z CoA. Donatorem energii jest tu ATP

5. Jakie koenzymy uczestniczą w odwodorowaniu w procesie betaoksydacji?

NAD⁺ i FAD.

6. Jeśli odłączone w beta oksydacji atomy wodoru są wykorzystywane w łańcuchu oddechowym, to czy występuje różnica efektu energetycznego w zależności od koenzymów dehydrogenazy?

Tak występuje. Wodór może być odwracalnie przyłączany do przenośników wodorowych, którymi są NAD i FAD. W przypadku przyłączenia do NAD powstają 3 cząsteczki ATP na skutek wcześniejszego przyłączenia do łańcucha oddechowego niż w przypadku, FAD , który daje efekt energetyczni równy 2cz. ATP. Wynika to z różnicy potencjałów red-ox koenzymów dehydrogenazy.

7. Ile cząsteczek ATP może powstać w wyniku jednego etapu beta oksydacji (skrócenia acylokoenzymu A o jeden dwuwęglowy fragment)?

5 ATP

W jednym etapie tworzy się jedna cząsteczka FADH₂ mogąca dać 2 cząsteczki ATP po wprowadzeniu do łańcucha oddechowego oraz jedna cząsteczka NADH dające 3 cząsteczki ATP.

8. Ile cząsteczek ATP może powstać w procesie całkowitego rozkładu kwasu ...... w wyniki betaoksydacji?

5 ATP razy liczba cykli, przy czym 1 cz. ATP musi zostać zużyta dla zainicjowania reakcji

Przykład kwas palmitynowy CH3(CH2)14COOH to 18 atomów węgla czyli 9 cykli b- oksydacji to daje 9*5-1 = 44 ATP (NIE JESTEM TEGO PEWNY)

9. Do jakich celów może komórka wykorzystywać odrywane w procesie betaoksydacji atomy wodoru?

Komórka może wykorzystywać atomy wodoru do procesu oddychania tlenowego, w którym jest on przenoszony przez przenośniki wodorowe na ostateczny akceptor w łańcuchu oddechowym, którym jest tlen. Ponadto wodór może być wykorzystywany do uzyskania energii. Drugie ważne znaczenie to dostarczanie atomów wodoru do procesów redukcyjnych (biosynteza składników komórkowych)

Mechanizmy adaptacyjne drobnoustrojów

1. Co to są ksenobiotyki?

KSENOBIOTYK - związek chemiczny występujący w organizmie, który ani go nie produkuje ani też w normalnych warunkach nie przyjmuje z pożywieniem. Inaczej mówiąc, jest to substancja chemiczna niebędąca naturalnym składnikiem żywego organizmu. Inne nazwy to: substancja obca bądź egzogenna, materiał antropogenny (o ile powstaje w wyniku działalności człowieka).

2. Czym różni się biotransformacja od biodegradacji?

BIOTRANSFORMACJA - każda przemiana określonej substancji w procesie biologicznym.

BIODEGRADACJA - to biochemiczny rozkład związków organicznych przez organizmy żywe (bakterie, pierwotniaki, promieniowce, grzyby, glony, robaki) na prostsze składniki chemiczne.

3. Co rozumie się przez adaptację drobnoustrojów do rozkładu ksenobiotyków? Do czego sprowadza się taka adaptacja?

Adaptacja drobnoustrojów do rozkładu ksenobiotyków polega na pozyskaniu przez populację drobnoustrojów odpowiedniego aparatu enzymatycznego umożliwiającego przemianę tych związków. Adaptacja taka sprowadza się do zmiany w genomie organizmu (adaptacja genomowa), gdyż ksenobiotyki są związkami nie występującymi naturalnie w środowisku danego organizmu.

4. Czym różni się indukcja enzymatyczna od aktywacji enzymatyczne?

INDUKCJA ENZYMATYCZNA - wzrost aktywności enzymu pod wpływem induktora, cząsteczki pochodzącej z metabolizmu komórki lub z zewnątrz; induktor uruchamia proces ekspresji odpowiednich genów, a więc transkrypcję i translację, w efekcie czego pojawiają się nowe cząsteczki białka - enzymu indukcyjnego

AKTYWACJA ENZYMATYCZNA - Wzrost aktywności enzymów pod wpływem obecności określonej substancji. Przejście enzymu ze stanu nieaktywnego w aktywny pod wpływem np. jonów H⁺ lub innej substancji aktywującej.

5. Co to jest represja enzymatyczna?

REPRESJA ENZYMATYCZNA - zahamowanie ekspresji genu wskutek dołączenia cząsteczki represora, co uniemożliwia transkrypcję; np. represja kataboliczna - polega na zahamowaniu ekspresji genów kodujących białko enzymatyczne, katalizujące rozkład substancji pokarmowych, na skutek wzrostu dostępności innego substratu, którego katabolizm jest bardziej wydajny energetycznie. Przykładem jest zahamowanie genów operonu laktozowego u pałeczki okrężnicy w obecności glukozy w pożywce.

6. Na czym polega adaptacja socjologiczna?

ADAPTACJA SOCJOLOGICZNA -Selekcja organizmów posiadających odpowiednie enzymy np. poprzez dodanie substancji toksycznie działającej, ale należącej do środowiska naturalnego wykrywa się org. posiadające enzymy rozkładające lub neutralizujące daną substancję.

7. Na czym polega adaptacja fizjologiczna?

ADAPTACJA FIZJOLOGICZNA - synteza odpowiednich enzymów wywołana jest pojawieniem się określonych substancji zanieczyszczeń środowiska. Jest to sygnał dla komórki, ze ma ona syntetyzować enzymy, czyli zmienia się fizjologia mikroorganizmów.

Adaptacja polega na syntezie odpowiednich enzymów, o których informacja była zawarta w kodzie genetycznym, ale wcześniej była nie wykorzystywana.

8. Na czym polega adaptacja genetyczna?

ADAPTACJA GENETYCZNA - Selekcja mikroorganizmów zmutowanych, które nie przeżyłyby w nie zmienionych warunkach środowiska. Adaptacja ta prowadzi do zmiany genotypu organizmu w wyniku substancji lub warunków mutagennych jak obecność ksenobiotyków czy promieniowanie UV.

9. Który typ adaptacji posiada szczególne znaczenie dla rozkładu ksenobiotyków?

Adaptacja genetyczna - gdyż ksenobiotyki są substancjami obcymi dla organizmu i często powodują mutacje genetyczne co z kolei prowadzi do pojawienia się organizmów odpornych na ich obecność w skutek zmiany genomu.

10. Jakie znamy praktyczne metody adaptacji drobnoustrojów?

- hodowla w warunkach skrajnych - polega na stosowaniu już w pierwszym dniu stężenia danej substancji, do którego chcemy przystosować mikroorganizmy.

- hodowla wieloetapowa - na stosowaniu początkowo małych dawek danej substancji, które są stopniowo zwiększane. Może okazać się jednak, że pewna dawka jest za duża i trzeba zacząć przystosowywanie na nowo. Dlatego hodowla ta jest procesem dłuższym niż hodowla w warunkach skrajnych.

• Pomiar aktywności mikroorganizmów

1. Do czego mogą służyć pomiary aktywności metabolicznej drobnoustrojów?

- oceny aktualnego stanu fizjologicznego organizmu

- oceny stopnia zaadaptowania mikroorganizmów

- wyznaczania podatności na biodegradację określonych substancji.

- wyznaczania toksyczności poszczególnych substancji.

2. Dlaczego pomiar intensywności procesów zachodzących w łańcuchu oddechowym jest dobrym sposobem wyznaczania ogólnej aktywności drobnoustrojów?

Gdyż zbiegają się w nim wszystkie szlaki metabolizmu komórkowego . Można wykorzystać różne miejsca w łańcuchu oddechowym, np. do pomiaru zużycia tlenu wykorzystuje się koniec tego łańcucha.
W łańcuchu oddechowym zbiegają się wszystkie szlaki metabolizmu komórkowego. Powstają tam, poprzez utlenienie cząsteczki NAD+ i NADP+, ATP - które jest źródłem energii mikroorganizmów. Poprzez badanie ttc, albo badanie wykrywania atp można określić aktywność mikroorganizmów.
Proces utleniania jest zawsze sprzężony z procesem redukcji i odwrotnie, z tego względu tego typu reakcje są nazywane reakcjami oksydacyjno-redukcyjnymi. Jeśli w środowisku znajduje się więcej niż jeden układ oksydacyjno-redukcyjny, to będzie przebiegała między nimi reakcja oksydacyjno-redukcyjna aż do osiągnięcia równowagi chemicznej.

3. Jakie właściwości powinien posiadać związek chemiczny, aby mógł pełnić rolę sztucznego akceptora elektronów ( i protonów) w łańcuchu oddechowym?

Wnikać do wnętrza komórki i mieć odpowiedni potencjał oksydoredukcyjny. Związek chemiczny pełniący rolę sztucznego akceptora elektronów (i protonów) powinien przede wszystkim mieć większe powinowactwo elektronowe w porównaniu z poprzednim akceptorem elektronów (i protonów). Dzięki temu przyjmuje on od poprzedniego akceptora elektron.

4. Jakie zabiegi wstępne warunkują poprawne wykonanie testu TTC?

- optymalnie stężenie TTC, co najmniej takie jak ilość transportowanych wodorów w łańcuchu. Stężenie musi być na tyle wysokie by substancja przeniknęła do miejsca aktywności dehydrogenaz, a jednocześnie nie posiadała jeszcze właściwości toksycznych.

- wyznaczanie czasu inkubacji w zależności od liniowego przyrostu TTC.

- odtlenianie próbek gdyż w obecności tleny występuje duży rozrzut wyników pomiarów.

- przeprowadzanie procesu w ciemności, ponieważ w warunkach świetlnych powstaje fotoTTC.

Kwasy nukleinowe

1. Jakie informacje zawarte są w kodzie genetycznym? Dlaczego właśnie te a nie inne?

W kodzie genetycznym zawarte są informacje dotyczące sekwencji aminokwasów w białku. Budowa białek decyduje o wszystkich cechach życiowych organizmu. Białka strukturalne decydują o budowie organizmu, zaś białka enzymatyczne uczestniczą w reakcjach biochemicznych.

2. W jaki sposób zapisana jest informacja genetyczna organizmu?

Podstawowa informacja genetyczna obejmuje zapis budowy białek(enzymatycznych). Każda żywa istota, posiada swój indywidualny zapis genetyczny zawarty w podwójnych niciach DNA jądra komórkowego. Ten zapis nazywamy genomem. Składa się on z 80 tysięcy genów, które utworzone są z nukleotydów z charakterystyczną dla każdego z nich kolejnością par komplementarnych zasad purynowych i pirymidynowych.

3. Dlaczego podstawowa jednostka kodująca składa się z trzech nukleotydów?

Ma to związek z liczbą uzyskanych kombinacji, czyli informacji kodycznych każdych z aminokwasów. Musi być ona optymalna. Taką liczbą jest: 64, a więc 4 zasady azotowe mogą wytworzyć 64 kombinacje trójkowe.

4. Jak kopiowana jest informacja genetyczna?

Proces powielania przebiega w ten sposób, że dwa łańcuchy tworzące cząsteczkę rozkręcają się po czym każdy z nich dobudowuje sobie łańcuch komplementarny tzn. taki sam z jakim poprzednio był skręcony.

5. Jak zbudowany jest rybosom i jakie zachodzą w nim procesy.

Rybosomy - organelle służące do produkcji białek w ramach translacji. Są zbudowane z rRNA i białek. Katalityczna aktywność rybosomu związana jest właśnie z zawartym w nim rRNA, natomiast białka budują strukturę rybosomu i działają jako kofaktory zwiększające wydajność translacji.

Każdy rybosom zbudowany jest z dwóch dopasowanych do siebie podjednostek: małej i dużej. Obie podjednostki są zbudowane z białek i rRNA (rybosomowy RNA). Podjednostki rybosomu są ze sobą połączone tylko podczas translacji - po zakończeniu translacji danego łańcucha białkowego podjednostki rozdzielają się, a podczas inicjacji translacji jakieś blisko siebie znajdujące się podjednostki (jedna duża i jedna mała) łączą się ze sobą, odtwarzając rybosom.

6. Jaka funkcje biologiczną pełni mRNA

Informacyjne RNA. cząsteczki kwasu rybonukleinowego zawierające przepisaną z genów, zakodowaną informację genetyczną o sekwencji poszczególnych polipeptydów.

Cząsteczki te po przyłączeniu się do rybosomów stanowią matrycę - kolejne trójki nukleotydów mRNA (tzw. kodony) są rozpoznawane przez odpowiednie fragmenty (tzw. antykodony) cząsteczek transportujących aminokwasy (tRNA), dzięki czemu w procesie translacji powstaje właściwa sekwencja peptydu.

7. Jaka funkcję biologiczną pełni tRNA?

tRNA - transportujący, transferowy RNA - cząsteczki kwasu rybonukleinowego (RNA), których zadaniem jest przyłączanie wolnych aminokwasów w cytoplazmie i transportowanie ich do rybosomów, gdzie w trakcie procesu translacji zostają włączone do powstającego łańcucha polipeptydowego. tRNA cechuje wysoka specyficzność w stosunku do aminokwasów. Każdy z aminokwasów syntetyzowanego białka może być transportowany przez jeden, a niektóre przez kilka różnych tRNA

8. Jaka funkcję biologiczną pełni rRNA?

rRNA - rybosomalny, rybosomowy RNA .Cząsteczki kwasu rybonukleinowego wchodzące w skład rybosomów, które biorą udział w procesie biosyntezy polipeptydów. rRNA powstaje w wyniku procesu transkrypcji DNA.

9. Funkcja biologiczna rRNA w komórce polega na:

- kodowaniu informacji genetycznej

- udziale w biosyntezie białek

- odczytywaniu kodu genetycznego

10. Uzupełnij sched ilustrujący proces biosyntezy białka:

DNA---transkrypcja-----mRNA---translacja---tRNA---zwijanie łańcucha---aktywne białko

11. Uzupełnij (napisy nad strzałkami) schemat ilustrujący proces biosyntezy białka

DNA---transkrypcja---mRNA---translacja---Białko

Horyzontalny transfer genów (HTG)

1. Czym różni się HTG od wertykalnego (pionowego) transferu genów?

Transfer genów horyzontalny (poziomy) jest to proces polegający na nabywaniu genów przez organizmy w procesie innym niż otrzymywanie ich od organizmu rodzicielskiego (w procesie rozmnażania). Jest to przekazywanie informacji genetycznej bez podziału, do drugiego osobnika dorosłego. W pionowym transferze genów mamy do czynienia z rozmnażaniem, czyli informacja genetyczna przekazywana jest od osobnika macierzystego do osobnika potomnego (np. przez podział)

2. Co to są plazmidy?

PLAZMIDY - cząsteczka DNA występująca w komórce poza chromosomem i zdolna do autonomicznej (niezależnej) replikacji. Plazmidy występują przede wszystkim u prokariotów, ale znane są także nieliczne plazmidy występujące u eukariotów.

Plazmidy są rozpowszechnione u bakterii. Nośniki pozachromosalnych cząsteczek DNA (koliście zamknięte, dwuniciowe cząsteczki DNA). Nie są istotne dla wzrostu bakterii w normalnych warunkach. Nadają komórce gospodarza cechy specyficzne np. plazmidy odpornościowe na antybiotyki.

3. Jaki jest najczęstszy mechanizm oporności na antybiotyki?

Transformacja antybiotyku do formy nieszkodliwej.

Beta-laktamazy jest to jedna z najczęstszych mechanizmów oporności na antybiotyki. Wydzielanie tych enzymów jest charakterystyczne zwłaszcza dla bakterii Gram (-) i jest to spowodowane budową tych drobnoustrojów - beta-laktamazy są wydzielane u nich do przestrzeni peryplazmatycznej, a nie na zewnątrz komórki, jak u bakterii Gram-dodatnich. Każda bakteria Gram (-) odpowiada więc za siebie, natomiast bakterie Gram (+) bronią się wspólnie, co jest skuteczne dopiero przy większej ich ilości.

U bakterii występują  dwa typy oporności na antybiotyki. Naturalny, gdzie struktura bakterii uniemożliwia działanie leku oraz nabytą powstałą na skutek nabycia genów oporności na antybiotyki. I ta ostatnia jest najczęstszym i jednocześnie najniebezpieczniejszym mechanizmem, powodującym szybkie rozprzestrzenianie się genów oporności umiejscowionych na plazmidach bądź elementach ruchomych takich jak transpozony i sekwencje inercyjne. Gen zlokalizowany na chromosomie jest przekazywany wertykalnie na komórki potomne (za pomocą HGT) powodując klonalne rozprzestrzenianie się opornych szczepów.

4. Na czym polega koniugacyjny HTG?

Polega na bezpośrednim poziomym przekazaniu genów z jednej komórki na drugą. Charakterystyczny dla przekazywania plazmidów.

Plazmidy mogą być przenoszone z komórki bakteryjnej, która je posiada (dawcy), do komórki pozbawionej tych elementów (biorcy), w wyniku trzech podstawowych mechanizmów: koniugacji, transformacji i transdukcji. Koniugacja jest procesem horyzontalnego transferu genów najbardziej charakterystycznym dla plazmidów, gdyż to właśnie plazmidy niosą determinanty genetyczne tego procesu, a więc warunkują jego zajście.

Koniugacyjny HGT polega na rozprzestrzenianiu się genów poprzez bezpośredni kontakt dwóch komórek, dawcy i biorcy, pomiędzy którymi wytwarza się specjalny mostek koniugacyjny służący do transportu nośników DNA, takich jak plazmidy oraz transpozony koniugacyjne.

5. Na czym polega transformacyjny HTG?

Komórka pobiera wolne odcinki DNA (plazmidy) ze środowiska np. z innych już martwych organizmów

Transformacja niektórych gatunków może zachodzić w środowisku naturalnym (transformacja naturalna), ale transformacja większości bakterii wymaga specjalnych zabiegów, możliwych jedynie w laboratorium.

Transformacyjny HGT polega na pobraniu DNA przez komórkę ze środowiska naturalnego lub poprzez wprowadzenie go w sposób sztuczny w warunkach laboratoryjnych. Proces pobierania DNA można podzielić na dwa etapy, pierwszym będzie wiązanie się z powierzchnią komórki a drugim przechodzenie przez osłony komórkowe. Jednak w trakcie przechodzenia przez błony cytoplazmatyczne DNA ulega fragmentacji a następnie wśród tych kawałków degradacji ulega jedna nić a druga, a dokładniej jakiś określony fragment, zostaje włączony do genomu biorcy. W przypadku transformacji sztucznej proces przebiega na podobnej zasadzie jednak komórka nie jest sama w stanie pobrać materiału genetycznego tylko musi zostać do tego pobudzona za pomocą pola elektrycznego lub szoku termicznego.

6. Na czym polega transdukcyjny HTG?

Przekazywanie genów przez bakteriofagi do komórki bakteryjnej.

W kapsydach fagowych może być przenoszony DNA chromosomowy lub plazmidowy. W pierwszym przypadku przenoszony materiał genetyczny zostaje wbudowany, w wyniku rekombinacji do chromosomu bakteryjnego lub innych elementów genetycznych znajdujących się w komórce bakteryjnej i jest przekazywany do komórek potomnych.

7. Czym różnią się plazmidy koniugacyjne od mobilizowanych?

Plazmidy mobilizowane w przeciwieństwie do koniugacyjnych nie mają zdolności do samoistnego przenoszenia genów, gdyż nie posiadają genów mogących tworzyć połączenia koniugacyjne.

Plazmidy mobilizowane (często przenoszące geny oporności na antybiotyki) muszą współdziałać z plazmidami koniugacyjnymi żeby przekazywać jakieś cechy innym komórkom.

Zagadnienia część II:

1.Budowa błon biologicznych

Błona biologiczna (błona plazmatyczna) - podstawowa jednostka strukturalna wszystkich błon występujących w komórce. Składa się z dwuwarstwy cząsteczek fosfolipidów oraz z cząsteczek białka, które są na stałe wbudowane pomiędzy fosfolipidy albo tylko luźno przymocowane do błony.

Poszczególne błony komórki różnią się od siebie rodzajem białek i lipidów, ale ich ogólny schemat budowy jest taki sam. Cząsteczki fosfolipidów układają się naprzeciw siebie i tworzą półpłynną dwuwarstwę lipidową, w której są zakotwiczone białka błonowe. Błona plazmatyczna nie jest strukturą sztywną: fosfolipidy i białka przez cały czas poruszają się względem siebie. Wszystkie błony biologiczne składają się z dwuwarstwy lipidowej oraz białek, jednak poszczególne rodzaje błon są zbudowane z różnych białek i lipidów. Na przykład wewnętrzna błona mitochondrium zawiera inne białka, niż błona komórkowa (błona oddzielająca wnętrze komórki od płynu zewnątrzkomórkowego)

2. Fosfolipidy - struktura i właściwości

Fosfolipidy - Cząsteczka fosfolipidu składa się z dwóch fragmentów różniących się powinowactwem do wody: hydrofilowej główki i hydrofobowego ogonka. Hydrofobowy ogonek cząsteczki fosfolipidu jest utworzony przez dwa łańcuchy kwasów tłuszczowych. W skład hydrofilowej główki fosfatydylocholiny (jednego z głównych fosfolipidów błon biologicznych) wchodzą:

- reszta glicerolu,

- grupa fosforanowa,

- reszta choliny połączona z grupą fosforanową.

3. Funkcje błon biologicznych

•pełnią funkcje enzymatyczne, katalizując różne reakcje metaboliczne,

•reagują na bodźce chemiczne, termiczne i mechaniczne,

•utrzymują równowagą między ciśnieniem osmotycznym wewnątrz i na zewnątrz komórki.

•regulują transport wybranych substancji z i do komórki,

•chronią komórki przed działaniem czynników fizycznych i chemicznych, a także przed wnikaniem obcych organizmów, w szczególności chorobotwórczych

4. Białka błonowe, integralne i powierzchniowe

Białka błonowe to białka związane z błonami biologicznymi. Dzielą się na białka integralne, wbudowane na stałe w błonę i białka powierzchniowe, słabo związane z wewnętrzną albo zewnętrzną powierzchnią błony białkowo-lipidowej

Białka integralne (transbłonowe) - Białka wbudowane w błonę plazmatyczną. Przynajmniej jeden fragment białka transbłonowego jest „na stałe” zakotwiczony pomiędzy cząsteczkami fosfolipidów błony

Białka powierzchniowe (peryferyczne) - Luźno połączone z błoną białko, które można łatwo usunąć z wewnętrznej albo zewnętrznej powierzchni błony biologicznej.

5. Białka transportowe

Białko transportowe (przenośnikowe, translokujące, permeazy) - Białko błonowe przenoszące inne cząsteczki lub jony z jednej strony błony plazmatycznej na drugą. Białka przenośnikowe (zwane także transporterami) potrafią rozpoznawać i wiązać cząsteczki przeznaczone do przeniesienia przez błonę. Cząsteczka przyłączona przez transporter jest przenoszona na druga stronę błony biologicznej. Po uwolnieniu przenoszonej cząsteczki białko przenośnikowe przygotowuje się do transportu następnej cząsteczki. Niekiedy przenoszeniu cząsteczki przez białko przenośnikowe towarzyszy transport jakiegoś jonu w tym samym kierunku w którym przenoszona jest cząsteczka (symport) albo w przeciwnym kierunku (antyport).

6. Pinocytoza

Pinocytoza jest to sposób odżywiania się organizmów jednokomórkowych lub wielokomórkowych (np. gąbek). Jest to nieswoiste pobieranie małych kropel płynu zewnątrzkomórkowego do wnętrza komórek. Błona ulega wpukleniu do środka tworząc pęcherzyk zawierający pobraną kroplę. Wewnątrz cytoplazmy dochodzi do enzymatycznej degradacji zawartości pęcherzyka (po rozpuszczeniu otoczki uwalniane są proste związki organiczne: aminokwasy, cukry, które są włączane do wewnątrzkomórkowych szlaków metabolicznych).

7. Transport prosty i ułatwiony

Transport przez błony biologiczne związków małocząsteczkowych - Cząsteczki różnych substancji mogą przenikać przez błony białkowo-lipidowe na zasadzie dyfuzji, dyfuzji ułatwionej lub transportu aktywnego. Proces przechodzenia wody przez błony biologiczne nosi nazwę osmozy.

Osmoza - Przechodzenie cząsteczek wody przez selektywnie przepuszczalną błonę białkowo-lipidową.

Dyfuzja - Proces samorzutnego przenikania cząsteczek jednej substancji pomiędzy cząsteczki drugiej substancji.

Dyfuzja ułatwiona - Transport cząsteczek przez błonę biologiczną przy użyciu białek transportowych, ale z zachowaniem gradientu stężeń i bez zużywania energii przez komórkę. Na drodze dyfuzji ułatwionej mogą być transportowane cząsteczki niektórych substancji, na przykład aminokwasów. W tym procesie uczestniczą specjalne białka przenośnikowe wbudowane w błonę plazmatyczną. Białka transportowe biorą udział zarówno w dyfuzji ułatwionej, jak rownież procesach transportu aktywnego. Dyfuzja ułatwiona jest szybsza od zwykłej dyfuzji, ponieważ białka transportowe sprawnie wyłapują cząsteczki przeznaczone do przeniesienia przez błonę. Jednak w przeciwieństwie do transportu aktywnego dyfuzja ułatwiona zawsze odbywa się zgodnie z gradientem stężeń - cząsteczki są transportowane z tej strony błony, gdzie jest ich więcej, na tę stronę, gdzie jest ich mniej. Dlatego w tym procesie nie jest zużywana energia zmagazynowana w wysokoenergetycznych wiązaniach cząsteczek ATP.

8. Transport aktywny

Transport aktywny - Transport przez błonę biologiczną, odbywający się przeciwnie do gradientu stężeń transportowanej substancji, a więc są one wypompowywane z roztworu, w którym jest ich mniej, do roztworu, w którym jest ich więcej. Pokonanie gradientu stężeń wymaga zużycia pewnej ilości energii zmagazynowanej w ATP.

9. Translokacja grupowa

Translokacja grupowa - Jest formą transportu aktywnego, ale różni się od typowego tym, że w czasie wchodzenia do komórki substrat ulega modyfikacji. Natomiast w omówionym wcześniej typowym transporcie aktywnym, cząsteczka uwalniana w cytoplazmie jest taka sama jak na zewnątrz. A w w translokacji grupowej, pobrany cukier, dostarczany jest do wnętrza komórki w postaci fosfocukru. Glukoza, fruktoza, mannoza i inne węglowodany są pobierane za pośrednictwem systemu fosfotransferazowego zależnego od fosfoenolopirogronianu (PEP). W translokacji grupowej uczestniczą cztery enzymy (schemat). Enzym II jest integralnym białkiem błony, który tworzy kanał i katalizuje fosforylację cukru. Grupa fosforanowa nie pochodzi bezpośrednio od PEP, lecz zostaje najpierw przekazana przez enzym I do małego, termostabilnego białka, zwanego HPr. Ufosforylowana forma HPr (HPr ~ P) reaguje z enzymem peryferycznym białkiem błony(enzym III), od którego enzym II odbiera grupę fosforanową i przenosi ją na cukier. Enzymy błonowe II i III są swoiste dla poszczególnych cukrów, podczas gdy enzym I i HPr uczestniczą we wszystkich procesach przenoszenia (translokacji) cukrów z udziałem PEP. W transporcie niektórych cukrów nie uczestniczy enzym III.

Metabolizm węglowodorów-

1. Glikoliza - przebieg (ogólnie) i znaczenie

Jedną z najważniejszych przemian, jakiej podlega cukry w organizmach żywych jest glikoliza. Glikoliza zachodzi w cytoplazmie i może przebiegać zarówno w warunkach tlenowych jak i beztlenowych. Sumarycznie procesy te możemy opisać równaniami:

Przemiana beztlenowa

C6H12O6 --> 2CH3CH(OH)COOH + 57kcal

Przemiana tlenowa

C6H12O6 + 6O2 --> 6CO2 + 6H2O + 677kcal

Glikoliza jest łańcuchem reakcji przekształcających glukozę (cukier prosty) w pirogronian z jednoczesną produkcją ATP.

Proces ten składa się z szeregu reakcji chemicznych, które można zgrupować w dwa podstawowe etapy. Pierwszy z nich polega na dwuetapowym przyłączeniu reszt fosforanowych do cząsteczki glukozy i podzielenie 6-węglowej ufosforyzowanej cząsteczki na dwa 3-węglowe aldehydy 3-fosfoglicerynowe. Każdy etap fosforylacji glukozy wymaga rozkładu jednej cząsteczki ATP, więc podwójna fosforylacja jednej cząsteczki glukozy pochłania 2 cząsteczki ATP.

Cykl pentozowy - przebieg (ogólnie) i znaczenie

Cykl pentozowy ( szlak pentozofosforanowy, rybulozowy) to utlenianie glukozy na innej drodze niż szlak glikolityczny. Ma znaczenie w metabolizmie jako źródło czynników redukujących do wytwarzania NADPH oraz jako mechanizm syntezy i dostarczania pentoz (cukrów pięciowęglowych). Sumarycznie z sześciu cząsteczek glukozy wchodzących do cyklu jedna podlega całkowitemu utlenieniu, a pięć regeneruje się i ponownie wchodzi w cykl. Cykl pentozowy poprzez związki trojwęglowe może łączyć się z cyklem Krebsa. Przemiany w tym szlaku rozpoczynają się od glukozo-6-fosforanu, który na drodze różnych reakcji przekształca się w pięciowęglowy cukier: rybulozo-5-fosforan, odgrywający ważną rolę w reakcjach związanych z fotosynteza, a także jest źródłem pentoz wchodzących w skład nukleotydow i kwasów nukleinowych.

Podobnie jak glikoliza, zachodzi on w całości w cytoplazmie komórki.

Cykl Krebsa

1. Przebieg (ogólnie) i znaczenie cyklu Krebsa

Podczas jednego obrotu cyklu zachodzi pięć reakcji dehydrogenacji, w których wodór przenoszony jest na NAD+ lub FAD+. Zredukowane koenzymy są dalej utleniane w łańcuchu oddechowym. Początkową reakcją jest kondensacja acetylo-CoA ze szczawiooctanem, katalizowana przez syntetazę cytrynianową, gdzie wykorzystywana jest jedna cząsteczka wody i powstaje kwas cytrynowy i CoA. Kwas cytrynowy jest przekształcany w szczawiooctan w szeregu reakcji katalizowanych przez kolejne enzymy. Dwa razy zachodzi dekarboksylacja, przy czym atomy węgla opuszczające cykl (jako CO2) nie pochodzą z grupy acetylowej dołączanej przez CoA. W wyniku rekcji powstają 3 NADH+ + H+ i 1 FADH2 oraz 1 cząsteczka GTP.

Rola cyklu Krebsa nie ogranicza się do dostarczania energii (bezpośrednio lub pośrednio). Powstające w nim związki pośrednie są substratami wyjściowymi wielu syntez komórkowych np. aminokwasów, tłuszczów i węglowodanów.

2.W oparciu o podany schemat cyklu Krebsa wylicz liczbę mogących powstać cząsteczek ATP przy zużyciu jako substratu jednej cząsteczki acetylo-koenzymu A

- 3 cz NADH- każda daje po 3 ATP co się równa 9ATP

- 1 cz FADH2- równa dwóm cząsteczkom ATP =2 ATP

- GTP (równoważnik ATP) 1 ATP

- Razem 12 ATP zysku z jednej czasteczki szczawiooctanu tym samym z 1 cząsteczki acetylo-koenzymu A

Metabolizm węglowodorów

1. Oksydazy i oksygenazy - definicja i rola

Oksydazy - stanowią grupę enzymów katalizujących odrywanie się elektronów od utlenionego substratu i dwu- lub czteroelektronową redukcję cząsteczki tlenu. Po połączeniu się z protonami powstaje cząsteczka H2O2 lub H2O. Do tego zespołu należą m.in. oksydazy cytochromowe.

W procesy degradacyjne produktów naftowych (w warunkach tlenowych) włączone są głównie enzymy należące do klasy oksydoreduktaz (oksydazy, oksygenazy, dehydrogenazy), hydrolaz i liaz (dekarboksylazy).

Oksygenazy - katalizują proces wbudowywania tlenu w cząsteczkę. Wyróżnia się oksygenazy właściwe tj. dioksygenazy oraz monooksygenazy, do których zalicza się hydroksylazy.

2. Dioksygenazy i monooksygenazy - definicja i rola

Dioksygenazy- włączają dwa atomy tlenu do substratu. Istnieją dwa rodzaje diooksygenaz. Dioksygenazy wymagające udziału NADH i NADPH, katalizujące reakcje hydroksylacji substratu oraz drugi typ dioksygenaz nie wymagający udziału NAD(P)H, katalizujący rozerwanie pierścienia aromatycznego

Monooksygenazy - katalizują włączenie jednego z atomów tlenu do hydroksylowanego substratu, podczas gdy drugi atom tlenu wiązany jest w cząsteczkę wody z udziałem NADH lub NADPH, zgodnie z równaniem:

1. Dehydrogenazy - definicja i rola

Dehydrogenazy - katalizują odrywanie atomów wodoru od utlenionego substratu i przenoszą je na inne enzymy czy związki pośrednie. Nie mają zdolności przenoszenia elektronów bezpośrednio na tlen. Akceptorem atomów wodoru może być: NAD+, NADP+, FMN lub FAD.

2. Oksydacja terminalna, subterminalna i omega-oksydacja

Biorąc pod uwagę strukturę chemiczną związku oraz skład i aktywność flory bakteryjnej - rozkład n-alkanów może odbywać się na drodze:

• oksydacji terminalnej,

• oksydacji subterminalnej,

• bądź ω- oksydacji.

Terminalna oksydacja - Najczęściej włączenie (insercja) aktywnego tlenu następuje przy końcowym węglu w łańcuchu alkilowym węglowodorów z wytworzeniem alkoholu. Dalsze utlenienie alkoholi, przez kolejno aldehydy i kwasy organiczne, kończy proces beta oksydacji.

Deiterminalna oksydacja- insercja tlenu następuje na obu końcach łańcucha alkilowego alkanów, co w efekcie kolejnych reakcji utleniania daje kwas dikarboksylowy.

Subterminalna oksydacja- oksydacja dotyczy atomów węgla położonych subterminalnie w cząsteczkach węglowodorów i prowadzi do przekształcenia ich w drugorzędowe alkohole a następnie w ketony i estry.

Omega-oksydacja - jest charakterystyczny dla degradacji alkanów rozgałęzionych. Obecność podstawników jest czynnikiem hamujących procech beta- oksydacji z tego względu kwasy tłuszczowe są atakowane na drugim końcowym węglu prowadząc do powstania kwasów dikarboksylowych.

3. Jakie produkty zazwyczaj powstają w pierwszym etapie transformacji związków aromatycznych w warunkach aerobowych?

Większość spośród związków aromatycznych występujących w przyrodzie, w pierwszym etapie mikrobiologicznej degradacji ulega oksydacji do katecholu bądź kwasu protokatechowego. Do katecholu degradowane są pojedynczo lub podwójnie (w pozycji 1,2-) podstawione pierścienie aromatyczne, np. w fenyloalaninie, toluenie, benzenie itp. Pierścienie aromatyczne podstawione w pozycjach 1,3- i 1,4- oraz pierścienie podstawione wielokrotnie są przekształcane do kwasu protokatechowego.

4. Rozszczepienie orto- i meta- pierścienia aromatycznego

Rozszczepienie pierścienia w pozycji orto- (tj. między dwoma sąsiadującymi hydroksylowanymi atomami węgla) prowadzi do powstania kwasu cis, cis- mukonowego (produkt rozszczepienia katecholu) bądź kwasu 3-karboksycis, cis- mukonowego (produkt rozszczepienia kwasu protokatechowego). Produkty tych reakcji ulegają dalszym przemianom metabolicznym poprzez ten sam związek pośredni tj. kwas 3-oksoadypinowy, a następnie w wyniku aktywacji z udziałem transferazy-CoA do bursztynylo-CoA i acetylo-CoA, które w końcowym etapie procesu degradacji są włączane do szlaków metabolizmu pośredniego.

Rozszczepienie pierścienia w pozycji meta- (tj. między hydroksylowanym i niehydroksylowanym atomem węgla), katalizowane przez dioksygenazy powoduje powstanie semialdehydu kwasu 2-hydroksymukonowego, który następnie wchodzi w szlaki metabolizmu pośredniego poprzez pirogronian, aldehyd octowy i inne produkty pośrednie, zależnie od typu podstawienia powstałych kwasów alifatycznych. Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, zawierające struktury skondensowane, rozkładne są przez sukcesywne otwieranie kolejnych pierścieni, a mechanizm rozszczepiania pierścieni zbliżony jest do mechanizmu rozszczepiania benzenu.

1. Ksenobiotyki - definicja

Pisze w mechanizmy adaptacyjne drobnoustrojów czyli wyżej

2. Kometabolizm - definicja i rola

Kometabolizm - niezależne współdziałanie dwóch organizmów, polegające na tym, że jeden z nich przypadkowo modyfikuje daną cząsteczkę nie odnosząc przy tym żadnych korzyści. Zmieniona cząsteczka staje się wtedy dostępna dla drugiego organizmu, który odnosi korzyć z jej rozkładu. W ten sposób jest metabolizowane np.: DDT.

1. Bioaugmentacja - definicja i rola

Jest to rodzaj bioremediacji In situ, czyli technologia usuwania zanieczyszczeń (głównie substancji ropopochodnych) z gleby i wód podziemnych za pomocą żywych mikroorganizmów w celu katalizowania, destrukcji lub transformacji różnego rodzaju zanieczyszczeń w formy mniej szkodliwe. Wprowadzenie dodatkowych mikroorganizmów tzw. szczepienie gleby

1. Biofilmy bakteryjne - etapy formowania

Biofilm jest to trójwymiarowa kolonia bakterii zawartych w macierzy zewnątrzkomórkowych polimerów wykazujących zdolność adhezji do wilgotnych powierzchni stałych oraz do siebie nawzajem. Formowanie się matrycy biofilmu ma na celu ochronę mikroorganizmów przed degradacyjną działalnością czynników środowiskowych, w tym na działanie antybiotyków.

ETAPY POWSTAWANIA BIOFILMÓW:

1. Swobodnie pływające bakterie osiadają na podłożu i przyczepiają się do niego, tworząc skupiska -

2. Bakterie tworzące skupisko zaczynają wydzielać lepką substancję pozakomórkową

3. Bakterie przekazują sobie sygnały stymulujące je do rozmnażania się i tworzenia kolonii

4. Powstają gradienty chemiczne umożliwiające współistnienie bakterii różnych gatunków i znajdujących się w rozmaitych stanach metabolicznych

5. Niektóre komórki opuszczają biofilm, być może po to, by tworzyć nowe skupiska

1. Quorum sensing - definicja i rola w formowaniu biofilmu bakteryjnego

Quorum sensing jest to sposób "porozumiewania się" między sobą bakterii za pomocą cząsteczek związków chemicznych.

Rola: Gdy hodowla bakteryjna osiągnie duże zagęszczenie, aby nie zginąć z powodu braku pokarmu lub samozatrucia metabolitami, wytwarza związki chemiczne które informują kolonię o potrzebie zaprzestania rozmnażania.

24

---