Wykład 1 1 X 08

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

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

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

PODZIAŁ ORGANIZMÓW NA PODSTAWIE ANALIZY GENETYCZNEJ

• Bacteria (bakterie)

• Archea (archeony)

• Eukarya (Eucaryota, Eukaryota)

Podstawowe elementy komórki

• Błona komórkowa

• Jądro komórkowe

• Mitochondrium

• Chloroplast

• Retikulum endoplazmatyczne

• Szorstkie

• Gładkie

Podstawowe pojęcia:

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

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

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

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

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

Reakcje termodynamiczne korzystne i niekorzystne są ze sobą sprzężone

Reakcja A+B C+D

Wzór na zmianę energii swobodnej:

=0 - reakcja nie przebiega, stan równowagi

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

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

- zmiana energii swobodnej

- zmiana standardowej energii swobodnej

R - stała gazowa

T - temperatura absolutna

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

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

Adenina + ryboza + trifosforan

ODDZIAŁYWANIA MOLEKULARNE

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

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

• Wiązania wodorowe E=4-13 kJ/mol

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

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

PODSTAWOWE ZWIĄZKI ORGANICZNE

Kwas glutaminowy

Glicyna

Leucyna

Alanina

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

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

• Z HCHO - różne cukry: ryboza;

• Z HCN - adenina, składnik DNA

Aminy - arylowe i alkilowe pochodne amoniaku

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

• Putrescyna (z ornityny)

• Kadaweryna (z lizyny)

• Tyramina (z tyrozyny)

• Histamina (z histydyny)

• Tryptamina (z tryptofanu)

• Cysteamina (z cysteiny), skł. CoA

• 
  -alanina - (z asparaginianu) skł. CoA

• 4-aminomaślan

Histamina

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

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

Azotany (V), (III)

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

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

• Wyładowania atmosferyczne

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

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

N-Nitrozoaminy

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

Prekursory:

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

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

DEN

N-Nitrozodimetyloamina

N-Nitrozopyrroidyna

N-Nitrozopiperydyna

Neurotransmitery (tzw katecholoaminy, pochodne tyrozyny)

• Adrenalina

• Noradrenalina

• Dopamina

• Tyrozyna

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

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

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

Pierścienie heterocykliczne z azotem

Pirydyna

Amid kwasu nikotynowego, wit PP

Pirodoksal

Pirydoksyna

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

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

Zasady azotowe występujące w kwasach nukleinowych

• Adenina RNA, DNA

• Cytozyna RNA, DNA

• Guanina RNA, DNA

• Tymina DNA

• Uracyl RNA

• Pirymidyna

• Puryna

Alkaloidy

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

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

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

• Teobromina, teofilina - działa moczopędnie, obniża ciśnienie krwi

Wykład 2 8 X 08

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

Aminokwasy - elementarne składniki białek, peptydów i ich pochodnych

Zawierają conajmniej:

• 1 grupę aminową

• 1 grupę karboksylową

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

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

Podział aminokwasów

• Naturalne

• Białkowe (L)

• Pierwszorzędowe (kodowane)

• Endogenne (syntetyzowane w organizmie człowieka)

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

• Drugorzędowe

• Trzeciorzędowe

• Niebiałkowe (D,L)

• Syntetyczne (DL,L,D)

Aminokwasy naturalne, białkowe, pierwszorzędowe, hydrofobowe

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

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

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

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

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

Zmiana stanu jonizacji aminokwasów w zależności od pH

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

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

Kwaśne obojętne zasadowe

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

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

• Fenyloalanina

• Izoleucyna

• Leucyna

• Lizyna

• Metionina

• Treonina

• Tryptofan

• Walina

• (U dzieci dodatkowo histydyna i arginina)

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

• Brak argininy u mężczyzn bezpłodność

• Tryptofan i lizyna - ważne w okresie ciąży i karmienia

Aminokwasy naturalne, niebiałkowe

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

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

• Ornityna, Cytrulina - cykl mocznikowy

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

Aminokwasy kontaktowe

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

• Kwas asparaginowy, glutaminowy

• Lizyna

• Histydyna

• Seryna

• Treonina

• Cysteina

Wiązanie peptydowe

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

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

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

Przykłady oligopeptydów

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

• Oksytocyna - hormon, reguluje skurcze macicy i gruczołów mlekowych

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

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

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

• Glukagon (29 AA) - działanie przeciwne do insuliny

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

• Fallotoksyny i amatotoksyny - mikotoksyny

Struktury białka

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

I-rzędowa struktura białka

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

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

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

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

• Zwrot beta

• Pętla omega

• Helisa alfa

• Beta harmonijka (struktura beta)

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

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

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

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

Struktura III-rzędowa

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

• Wiązania jonowe

• Wiązania wodorowe

• Wiązania hydrofobowe

• Mostek dwusiarczkowy

• Oddziaływania elektrostatyczne dipol-dipol

Struktura IV-rzędowa

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

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

Denaturacja i renaturacja

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

• Wysokiej temperatury

• Mocnych kwasów i zasad

• 8M mocznika

• 6M chlorku guanidyny

• Detergentów

• Niektórych związków aromatycznych

• Wysokiego stężenia jonów metali

Denaturacja - znaczenie

• Powoduje zmianę punktu izoelektrycznego i obniża rozpuszczalność białka

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

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

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

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

• Fibrynogen - występuje w osoczu krwi, białko włókienkowe

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Kazeina - fosfoproteina

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

Podział białek wg wartości odżywczych

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

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

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

• Bezwartościowe - nieprzyswajalne: białko włosów, paznokci, rogów

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

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

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

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

Modyfikacje białek (właściwych reszt aminokwasowych)

• Acetylacja N-końca - odporność na degradację

• Hydroksylacja proliny - stabilizuje nowo zsyntetyzowany kolagen

• Karboksylacja glutaminianu w protrombinie, jej zakłócenie powstawanie krwotoków

• Glikolizacja poprzez resztę asparaginianową - zwiększa hydrofilność białek

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

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

• Proteoliza - enzymy trawienne, proces krzepnięcia krwi

Przemiany białek w trakcie przechowywania i przetwarzania żywności

Ogrzewanie

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

• Zmiany enzymatyczne (często inaktywacja enzymów endogennych)

• Zmiany właściwości reologicznych i uwodnienia

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

• Powstawanie sieci - reakcja Maillarda oraz reakcja transaminacji

Efekt:

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

• Inaktywacja endogennych enzymów, inhibitorów, toksyn bakteryjnych

• Usieciowanie obniża podatność na proteolizę - trawienie

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

Enzymatyczna modyfikacja białek

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

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

Reakcje katalizowane prze transglutaminazę - transacylacja lub dezaminacja

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

Akceptor: aminokwas - wzbogacenie białka o ten aminokwas,

Lizyna - sieciowanie białka

Woda - dezaminacja glutaminy

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

FUNKCJE BIAŁEK

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

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

• Odpowiedzialne za uporządkowany ruch - składnik mięśni miozyna i aktyna

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

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

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

• Kontrola wzrostu i różnicowania - hormony, białka represorowe

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

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

W oczyszczaniu wykorzystywane są

• Rozpuszczalność(precypitacja - wysalanie siarczanem amonowym)

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

• Ładunek (chromatografia jonowymienna PAGE, ogniskowanie izoelektryczne)

• Specyficzność wiązania (chromatografie powinowactwa i hydrofobowe

Wykład 3 15 X 08

Budowa, funkcjonowanie i znaczenie enzymów

Reakcje termodynamiczne - patrz wykład 1

ATP - umieć wzór

ATP + H2O ADP + Pi

= -30,5 kJ/mol

AMP - adenozynomonofosforan

ADP - adenozynodifosforan

ATP - adenozynotrifosforan

1,3 - bifosfoglicerynian - metabolit pośredni w glikolizie

Fosfageny - związki bogate w energię guanidyno - fosforanowe

Fosforan kreatyny - występuje w tkance mięśniowej kręgowców

Fosfoarginina - występuje w tkance mięśniowej bezkręgowców

Inne związki bogate w energię:

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

- UDP - Glc - urydynodifosforan D-glukozy

…

Enzymy - biokatalizatory

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

• Nie zmieniają stanu równowagi reakcji chemicznej

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

Kinetyka reakcji enzymatycznych

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

Przykład: anhydraza węglanowa

CO2 + H2O H2CO3

• Zwiększa szybkość reakcji 10 milionów razy

• Jedna cząsteczka enzymu uwalnia 600000 cząsteczek CO2 w ciągu sekundy

Jednostki aktywności enzymów

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

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

• Aktywność całkowita - liczba jednostek enzymatycznych w preparacie

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

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

Miejsce aktywne enzymu

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

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

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

Modele wyjaśniające wiązanie substratu

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

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

Fisher - model zamka i klucza

Koshland - model indukowanego dopasowania

Model Michealisa - Menten

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

K1,K-1, K2 - stałe szybkości reakcji

E - enzym

S - substrat

P - produkt

ES - kompleks enzym-substrat

Równanie Michealisa - Menten

V₀ - szybkość reakcji

Vmax - wartość maksymalna szybkości reakcji

[S] - stężenie substratu

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

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

Zastosowanie:

• W doświadczalnym wyznaczaniu wartości Km i Vmax

• Określeniu typów inhibicji reakcji enzymatycznych

Odstępstwa od modelu Michealisa - Menten

Główne założenia teorii Michealisa - Menten

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

• S+E ES E+P

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

• Wykres zależności V₀ od [S] jest hiperbolą

W rzeczywistości:

• Większość reakcji przebiega z udziałem więcej niż 1 substratu

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

Sposoby regulacji szybkości reakcji enzymatycznej

• Zmiany [S], [P] (1), [E] (2)

• Zmiany T (3), pH (4)

• Odwracalne modyfikacje kowalencyjne enzymów - fosforylacja

• Nieodwracalna modyfikacja kowalencyjna enzymów - proteoliza

• Zmiany szybkości syntezy białek enzymatycznych

• Zmiany szybkości degradacji enzymów

• Inhibitory i aktywatory

Regulacja allosteryczna i przez sprzężenie zwrotne

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

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

• Niewielka zmiana w stężeniu substratu istotnie zmienia aktywność enzymu

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

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

Hamowanie aktywności enzymów - inhibicja

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

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

Typy inhibicji

• Odwracalna

• Inhibitor wiąże się z enzymem szybko i odwracalnie

• Nieodwracalna

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

• Inhibitor często wiąże się z enzymem wiązaniami kowalencyjnymi

Diizopropylofluorofosforan DIPF

Amid kwasu jodooctowego

Inhibicja odwracalna

-Inhibicja kompetycyjna - hamowanie współzawodnicze

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

• Działanie inhibitora można znieść przez zwiększenie stężenia substratu

• Substrat i inhibitor są strukturalnie do siebie podobne

• Vmax reakcji nie jest zmieniona przez inhibitor kompetycyjny

• Wartość Km wzrasta pod wpływem inhibitora kompetycyjnego

Malonian jest podobny do bursztynianu

-Inhibicja niekompetycyjna

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

• Działanie inhibitora niekompetycyjnego nie można znieść przez zwiększenie stężenia substratu

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

• Vmax reakcji zmniejsza się

• Wartość Km nie zmienia się pod wpływem inhibitora niekompetycyjnego

Pepstatyna inhibitor reniny - enzymu proteolitycznego uczestniczącego w regulacji ciśnienia krwi

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

Umożliwiają zróżnicowaną regulację tej samej reakcji w różnym miejscu i czasie

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

Różnice: duże stężenie pirogronianu hamuje H4, ale nie M4

Izoenzym H4 ma wyższe powinowactwo do mleczanu niż M4

Specyficzność enzymów

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

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

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

Kofaktory enzymów

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

• Jony metali np. Zn2+ dla karboksypeptydazy

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

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

Wybrane koenzymy oksydoreduktaz

-Koenzymy nikotynamidowe

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

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

SH2 + NAD+ S + NADH

-Koenzymy flawinowe

• FAD/FADH2 - dinukleotyd flawinoadeninowy forma utleniona / zredukowana

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

Międzynarodowa klasyfikacja enzymów

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

Przykłady reakcji

1.Mleczan + NAD+ Pirogronian + NADH

2. Glutaminian + szczawiooctan asparaginian + 2-oksoglutaran

3. Mocznik + H2O CO2 + 2NH3

4. CO2 + H2O H2CO3

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

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

Wykład 4 22 X 08

Znaczenie witamin i substancji mineralnych dla organizmów żywych

Definicja, podział:

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

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

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

Witaminy można podzielić na rozpuszczalne w:

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

Tłuszczach - witaminy A, E, D, K

KWAS ASKORBINOWY (witamina C)

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

Znaczenie -

• Wychwytywanie wolnych rodników - antyoksydant

• Udział w syntezie hydroksyproliny - składnika kolagenu

• W gojeniu się ran

• W prawidłowym wykształceniu zębów i kości

• Powszechnie stosowany jako dodatek do żywności

• Zapobiega brunatnieniu produktów

• Hamuje powstawanie nitrozoamin

Niedobór - szkorbut, zaćma

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

TIAMINA - witamina B1

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

Znaczenie:

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

• W transferze grupy aldehydowej np. aldehyd glikolowy, octowy

• Osoby z niedoborem witaminy B1 podatne są na atak komarów

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

RYBOFLAWINA (witamina B2)

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

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

Nadmierne spożycie jest toksyczne

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

NIACYNA witamina PP (B3)

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

Znaczenie:

• Prekursor koenzymów NAD+ i NADP+

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

• Podawana regularnie obniża poziom cholesterolu i trójglicerydów we krwi

Niedobór: pelagra = rumień lombardzki, biegunka, majaczenia

Kukurydza jest szczególnie uboga w niacynę

KWAS PANTOTENOWY (witamina B5)

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

Znaczenie:

• Składnik koenzymu A

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

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

Witamina B5 pozwala zachować dobrą kondycję i szczupłą sylwetkę

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

WITAMINA B6

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

Znaczenie:

• Składnik PAL

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

• Udział w procesie syntezy niacyny z tryptofanu

• Kofaktor w syntezie GABA

Fotolabilna, duże ubytki podczas przeróbki mleka

Diety i kuracje odchudzające prowadzą często do znacznych niedoborów witaminy B6

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

BIOTYNA (witamina H)

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

Znaczenie:

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

• Jako koenzym bierze udział w biosyntezie kwasów tłuszczowych oraz glukoneogenezie

• Występuje często w kompleksach z białkiem, połączona za pośrednictwem Lys

Produkowana jest przez bakterie w układzie pokarmowym

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

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

KOBALMINA (witamina B12)

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

Znaczenie:

• Udział w izomeryzacji kwasów dikarboksylowych

• Udział w przekształcaniu rybonukleotydów w deoksyrybonukleotydy

• Przekształcenie homocysteiny w metioninę

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

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

Niedobór: anemia złośliwa

KWAS FOLIOWY

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

Znaczenie:

• Udział w biosyntezie kwasów nukleinowych

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

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

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

Niedobór: anemia - zaburzenie wytwarzania czerwonych krwinek, zahamowanie wzrostu

WITAMINA A

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

Znaczenie:

• Udział w procesie widzenia

• Ochrona przed wolnymi rodnikami

Zbyt duże spożycie jest toksyczne!!!

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

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

WITAMINA D - kalcyferol

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

Znaczenie:

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

• Hormon steroidowy

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

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

ALFA - TOKOFEROL (witamina E)

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

Znaczenie:

• Udział w prawidłowym funkcjonowaniu narządów rozrodczych

• Pełni rolę przeciwutleniacza w błonach komórkowych

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

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

WITAMINA K

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

Znaczenie:

• Udział w procesie krzepnięcia krwi synteza protrombiny

• Udział w formowaniu tkanki kostnej

• Posiada właściwości przeciwbakteryjne, przeciwgrzybiczne, przeciwbólowe i przeciwzapalne

Syntetyzowana w jelitach przez bakterie

Niedobór: krwotoki - różne, zakłócenia w pracy jelit

ANTYWITAMINY

• Mają podobną budowę i właściwości do witamin

• Inaktywują witaminy

• Powodują powstawanie nieaktywnych enzymów

• Np.

• Sulfonilamid dla PABA (składnik kwasu foliowego)

• Kwas pirydyno-3-sulfonowy dla niacyny

• Kwas glikoaskorbinowy dla witaminy C

SUBSTANCJE MINERALNE

Pierwiastki, kationy i mikroelementy niezbędne dla prawidłowego funkcjonowania organizmów żywych

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

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

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

Ca - wapń

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

P - fosfor

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

Mg - magnez

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

Fe - żelazo

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

Na - sód, K - potas

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

S - siarka

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

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

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

F - fluor, I - jod, Cl - chlor

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

Wykład 5 29 X 08

Barwniki, karotenoidy i glikozydy, naturalne dodatki do żywności

BARWNIKI

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

• Jedyny barwnik pochodzenia zwierzęcego: koszenila, kwas karminowy

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

Karotenoidy

Barwniki karotenoidowe: annatto, preparaty z papryki i szafranu

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

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

• Alfa-, beta-karoten (marchew)

• Kryptoksantyna (pomarańcza),

• Luteina (liście),

• Likopen (pomidor),

• Zeaksantyna (kukurydza),

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

Właściwości karotenoidów:

• Nie rozpuszczają się w wodzie

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

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

Rola karotenoidów

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

• Nadają barwę roślinom, ich organom itp.

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

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

Barwniki flawonoidowe

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

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

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

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

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

Obecność betalain wyklucza obecność antocyjanów i odwrotnie

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

Stosowana np. do „poprawienia” koloru wina

Kurkuma, czyli żółta kurkumina - wytwarzana przez rośliny rodzaju Curcuma

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

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

mleku i mięsie

Barwniki pirolowe, układ pirolowy w formie łańcuchowej lub pierścieniowej

• Porfiryny - barwniki pirolowe pierścieniowe (hem, chlorofil)

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

Barwniki porfirynowe

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

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

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

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

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

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

Rozkład hemu do bilirubiny:

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

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

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

-Kompleksy bilirubiny z albuminą wychwytywane są przez komórki wątroby

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

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

TERPENY

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

Przykłady:

Geraniol (olejek z pelargonii)

Limonen (olejek z cytryny)

Mentol (olejek miętowy)

Karwon (olejek kminkowy)

Fitol (składnik chlorofilu)

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

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

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

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

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

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

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

Nikotyna - silna trucizna

Chinina - lek przeciw malarii, w większych dawkach trująca

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

Kodeina - składnik opium, lek na kaszel

KWASY ORGANICZNE - metabolity pośrednie, regulacja pH w komórce

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

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

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

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

DODATKI DO ŻYWNOŚCI

Kategorie dodatków do żywności

Zapobiegające zepsuciu (np. konserwanty, kwasy, przeciwutleniacze)

Sensoryczne (barwniki, słodzące, wzmacniające smak i zapach)

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

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

Klasyfikacja substancji dodatkowych

• Naturalne substancje dodatkowe

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

• Syntetyczne substancje dodatkowe

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

• Identyczne z naturalnymi substancje dodatkowe

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

Po co zastępować naturę?

Wanilina - związek zapachowy

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

SUBSTANCJE SŁODZĄCE

Białka:

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

• Sacharydy:

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

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

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

MELAMINA

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

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

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

AMINOKWASY

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

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

NOBEL 2008 z chemii

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

Wykład 7 12 XI 08

Charakterystyka, klasyfikacja i budowa lipidów

Podział lipidów (tłuszczowców)

Lipidy proste

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

• Woski - estry kwasów tłuszczowych z wyższymi alkoholami

• Woski prawdziwe

• Estry cholesterolu

• Estry witaminy A i estry witaminy D

Lipidy złożone

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

• Cerebrozydy - glikolipidy - zawierają węglowodany, występują w mózgu

• Sulfolipidy - zawierają siarkę

Pochodne lipidów

Sterydy i steroidy

Kwasy tłuszczowe

Wyższe alkohole i inne związki organiczne (np. lipoproteiny)

Znaczenie lipidów

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

• Składnik membran komórkowych - rola budulcowa

• Magazynują energię, głównie w postaci triacylogliceroli - rola zapasowa

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

• U zwierząt lipidy stanowią formę transportową surowców energetycznych

• Podskórna tkanka tłuszczowa u kręgowców pełni funkcję termoizolacyjną

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

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

TŁUSZCZE WŁAŚCIWE

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

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

• Tłuszcze zwierzęce mają najczęściej konsystencję stałą, a roślinne ciekłą

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

Kwasy tłuszczowe

• Podstawowy składnik triacylogliceroli i lipidów tworzących membrany komórkowe

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

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

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

Modyfikacje kwasów tłuszczowych

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

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

Nasycone kwasy tłuszczowe

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

Nienasycone kwasy tłuszczowe

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

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

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

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

Kwasy omega 3, omega 6 i omega 9

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

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

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

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

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

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

Kwas arachidonowy syntetyzowany jest wyłącznie przez zwierzęta z prekursorów

WOSKI

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

• Olbrot - wosk z kości czaszkowych wieloryba

• Wosk pszczeli

• Lanolina - forma wosku cholesterolowego wydzielanego przez skórę ssaków

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

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

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

TŁUSZCZE ZŁOŻONE

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

• Zawierającej azot (lecytyna, kefalina)

• Nie zawierającej azotu (3-fosfatydyloinozytol)

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

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

• Sulfolipidy - zawierają siarkę

Fosfolipidy zawierające AZOT

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

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

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

Z wodą tworzą roztwory koloidalne

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

Sfingolipidy dominują w tkance nerwowej

Po przyłączeniu do ceramidu fosfocholiny powstaje sfingomielina

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

Glikolipidy

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

-Gangliozydy - zawierają galaktozę i występują w zwojach nerwowych

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

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

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

POCHODNE LIPIDÓW

Sterydy i sterole

Lipidy pierścieniowe - steroidy:

- Cholesterol

- Hormony steroidowe

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

• Cholesterol

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

-Synteza cholesterolu odbywa się w wątrobie

-Znajduje się wyłącznie w produktach pochodzenia zwierzęcego

-Nadmiar w diecie prowadzi do miażdżycy

Klasy hormonów steroidowych

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

Lipoproteiny

Transportują tłuszcz w układzie krwionośnym i limfatycznym

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

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

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

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

Znaczenie kwasów tłuszczowych w diecie

• Dostarczają NNKT

• W skondensowanej formie energii

• Kwasy nasycone głównie produkty zwierzęce

• Kwasy nienasycone: oleje roślinne, nasiona, ryby

• Dostarczają rozpuszczalne w tłuszczach witaminy

• Dostarczają wiele prekursorów do syntez związków organicznych

• Stymulują apetyt i dają uczucie sytości

Substytut tłuszczy w diecie

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

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

Wykład 8 19 XI 08

Kwasy nukleinowe: budowa i właściwości

Ekspresja genów:

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

Kwasy nukleinowe

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

DNA - kwas deoksyrybonukleinowy

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

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

Zasada azotowa (umieć wzory)

Pentoza (umieć wzory)

- Ryboza (występuje w RNA)

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

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

Rybonukleozydy - RNA

Deoksyrybonukleozydy - DNA

Adenozyna - rybonukleozyd

Deoksyadenozyna - deoksyrybonukleozyd - purynowy

Tymidyna - deoksyrybonukleozyd - pirymidynowy

Nukleozydy w DNA

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

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

Nukleozydy w RNA

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

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

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

• Deoksyadenozyno-5'-monofosforan (dAMP)

• Urydyno-5'-monofosforan (UMP)

• A także trifosforan nukleozydu

STRUKTURA PIERWSZORZĘDOWA KWASÓW NUKLEINOWYCH

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

• Występuje polarność budowy, oba końce mają odmienne właściwości

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

Sekwencja DNA/RNA

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

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

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

STRUKTURA DRUGORZĘDOWA KWASÓW NUKLEINOWYCH

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

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

• Odległość między sąsiednimi zasadami - 0,34 nm

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

• Średnica helisy - 2 nm

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

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

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

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

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

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

Skład zasad wyznaczony doświadczalnie dla różnych organizmów

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

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

Rodzaje podwójnej helisy DNA

- B DNA

- A DNA

- Z DNA

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

TRZECIORZĘDOWA STRUKTURA DNA

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

• Zrelaksowany DNA - nie wykazuje dodatkowych splotów

• Superhelikalny DNA - podwójna helisa ulega spiralizacji

Superhelikalny DNA

• Kształt bardziej zwarty, niż formy zrelaksowanej

• Superhelizacja DNA jest koniecznym warunkiem jego upakowania wewnątrz komórki

• Superhelikalny DNA jest mniej stabilny niż zrelaksowany DNA

• Powszechnie występuje w przyrodzie ujemnie superhelikalny DNA

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

Wielkość genomowego DNA niektórych organizmów

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

Chromosomy eukariotyczne

Zawierają pojedynczą liniową cząsteczkę dwuniciowego DNA

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

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

FIZYCZNE I BIOLOGICZNE WŁAŚCIWOŚCI DNA

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

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

• Helikazy - energia z hydrolizy ATP - in vivo

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

• Denaturacja

• Temperatura

• Środowisko kwaśne lub zasadowe - niszczenie wiązań wodorowych

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

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

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

Rodzaje RNA

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

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

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

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

Struktura RNA (różnice pomiędzy strukturą RNA i DNA):

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

• W skład RNA wchodzi uracyl zamiast tyminy

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

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

• Wewnętrzne pętle

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

• Struktura tRNA przypomina liść koniczyny

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

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

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

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

rRNA - tworzy kompleksy z białkami, pełni funkcje strukturalne

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

• Zaktywowane aminokwasy wiążą się w łańcuch polipeptydowy

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

KWASY NUKLEINOWE JAKO POŻYWIENIE

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

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

Wykład 9 26 XI 08

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

1. Replikacja DNA w komórkach eukariotycznych:

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

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

• na zasadzie komplementarności - zapewnia wierności przekazywania informacji genetycznej

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

• replikacja rozpoczyna się miejscu inicjacji

replikon - odcinek DNA replikowany pod kontrolą pojedynczego miejsca początku replikacji

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

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

w procesie replikacji stwierdzono wiele aktywności enzymatycznych:

• topoizomeraza - rozpłata podwójną helisę DNA, umożliwiając rozpoczęcie procesu

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

• prymaza - syntetyzuje starter - odcinek RNA

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

• egzonukleaza - usuwa startery RNA z nici

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

2. Transkrypcja u eukariontów

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

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

Trzy etapy transkrypcji:

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

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

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

2. Dojrzewanie mRNA u eukariontów:

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

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

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

3. Cechy kodu genetycznego:

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

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

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

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

• kod jest jednoznaczny dana trójka koduje tylko 1 aminowkas

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

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

kodon start : AUG

kodony stop: UAA, UGA, UAG

4. Biosynteza białka u eukariotów

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

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

• aminokwasy nie mają zdolności rozpoznawania kodonów

• (dlatego) związane są ze specyficznymi tRNA

• (to) tRNA rozpoznaje kodon

• aminacylowanie tRNA zachodzi w dwóch etapach:

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

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

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

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

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

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

7. Obróbka potranslacyjna białka:

• fałdowanie

• transport do określonych organelli (sekwencje kierujące)

• glikozylacja białek - zachodzi w aparacie Golgiego:

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

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

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

• hyfroksylacja

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

• proteoliza - enzymy trawienne, kaskada krzepnięcia krwi

8. Kontrola ekspansji genów

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

Procariota:

• teoria operonu laktozowego

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

Eucariota :

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

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

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

• kompleksowe oddziaływania białko-białko czynników transkrypcyjnych

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

• acetylacja histonów - redukcja powinowactwa do DNA - rozluźnienie chromatyny

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

gen regulatorowy - koduje białko - represor

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

geny struktury - ?

9. elementy inżynierii molekularnej:

• enzymy restrykcyjne

• PCR i zastosowanie

• klonowanie

• korzyści z `zabawy` genami

10. enzymatyczny rozkład kwasów nukleinowych

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

• deksyrybonukleazy - hydrolizują DNA

• rybonukleazy - hydrolizują RNA

• nukleazy - nie wykazują specyficzności wobec rodzaju kwasu nukleinowego

11. Historia PCR:

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

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

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

• 1993 r. Nobel

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

12. Cykl syntezy DNA w reakcji PCR

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

etap 1 - denaturacja matrycy

etap 2 - przyłączenie starterów (hybrydyzacja)

etap 3 - wydłużanie starterów (elongacja)

13. Zastosowanie metody PCR:

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

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

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

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

• ustalania pokrewieństwa i ojcostwa

• kryminalistyka

14. klonowanie DNA:

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

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

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

15. Pozytywne aspekty GMO:

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

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

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

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

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

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

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

Wykład 10 3 XII 08

Metabolizm węglowodanów. Fermentacje przemysłowe

Metabolizm węglowodanów

• Synteza - glukozy, polisacharydów - odbywa się w drodze np. fotosyntezy lub z prekursorów nie będących węglowodanami - glukoneogeneza

• Rozkład - węglowodany dostarczane są z pokarmem jako mono-(fruktoza, glukoza), di- (sacharoza, maltoza, laktoza) i polisacharydy (skrobia, glikogen, celuloza).

- Celuloza - składnik błonnika, nie może być trawiona przez ludzi.

Żaden z węglowodanów nie jest niezbędny

- Rozkład glikogenu obok glukoneogenezy - regulacja poziomu glukozy we krwi

• Przemiany - reakcje odbywające się w komórkach w celu produkcji zmagazynowanej energii chemicznej lub substratów do syntez

• Różne komórki, tkanki i organy (serce, wątroba, mózg), liczne enzymy/izoenzymy

• Zmienne warunki: (np. wysiłek, głodowanie, stres)

• Glikoliza, cykl pentozofosforanowy, metabolizm monosacharydów - fruktozy, galaktozy

Podstawowe źródło energii dla organizmu. Węglowodany łączą wiele procesów metabolicznych

Glukoza:

• Tkanka tłuszczowa Magazynowanie energii

• Glikogen

• Rybozo-5-fosforan (szlak fosforanów pentoz)

• Pirogronian/mleczan (glikoliza/fermentacja)

• Transport glukozy z krwi do komórek odbywa się za pośrednictwem insuliny i odpowiednich przenośników

• Wątroba jest centralnym miejscem w organizmie, gdzie zachodzą przemiany węglowodanów, pobiera glukozę bez pośrednictwa insuliny, magazynuje w postaci glikogenu i w razie potrzeby uwalnia

Glikoliza - ciąg reakcji zachodzących w cytoplazmie polegających na przekształceniu glukozy w kwas pirogronowy, dostarczający ATP (energii) i intermediatów - substratów w licznych szlakach biosyntetycznych. Ufosforylowanie metabolitów pośrednich zatrzymuje je w komórce (nie mogą przechodzić przez błonę komórkową) i zwiększa specyficzność substratową enzymów (3 ETAPY!!!)

Glukoza + 2Pi + 2ADP + 2NAD+ 2 pirogronian + 2ATP + 2NADH + 2H+ + 2H2O

• Synteza 1,3-bisfosfoglicerynianu

Wytworzenie wysokoenergetycznego wiązania fosforanowego pochodzi z utleniania aldehydowej grupy aldehydu 3-fosfoglicerynowego dodatkowo zachodzi w tej reakcji redukcja NAD+

Reakcja katalizowana przez dehydrogenazę aldehydu 3-fosfoglicerynowego

Aldehyd 3-fosfoglicerynowy + NAD+ + Pi 1,3-bisfosfoglicerynian + NADH + H+

• Synteza ATP = fosforylacje substratowe

• Reakcja katalizowana przez kinazę fosfoglicerynianową

1,3-bisfosfoglicerynian + ADP 3-fosfoglicerynian + ATP

2. Reakcja katalizowana przez kinazę pirogronianową

Fosfoenolopirogronian + ADP pirogronian + ATP

• Kontrola glikolizy

• Heksokinaza - wysokie stężenie glukozo-6-fosforanu hamuje aktywność heksokinazy, pomimo tego, że jest to pierwsza reakcja glikolizy, nie jest ona kluczowa dla szybkości przebiegu procesu

Glukoza + ATP Glukozo-6-fosforan + ADP

2. Fosfofruktokinaza - PKF - główna reakcja kontrolna glikolizy - wysokie stężenie ATP jak również cytrynianu hamują aktywność PKF i proces glikolizy. Fruktozo-2,6-bisfosforan, a także wysokie stężenie AMP stymuluje aktywność PKF i całą glikolizę. Niższe pH również obniża aktywność PKF i hamuje proces glikolizy

Fruktozo-6-fosforan + ATP Fruktozo-1,6-bisfosforan + ADP

3. Kinaza pirogronianowa aktywowana jest przez fruktozo-1,6-bisfosforan, ATP i alanina są inhibitorami allosterycznymi tego enzymu i powodują spowolnienie glikolizy

4. Glukagon hamuje proces glikolizy

• Funkcje glikolizy

• Glikoliza to główna droga katabolizmu glukozy do pirogronianu, zachodzi we wszystkich rodzajach organizmów żywych

• Wytworzony podczas glikolizy pirogronian jest wyjściowym związkiem do biosyntezy wielu różnorodnych i ważnych substancji. Pirogronian integruje przemiany cukrów, aminokwasów, białek i tłuszczów

• Metody pośrednie glikolizy wykorzystywane są do syntezy wielu składników organizmu

• Glikoliza jest często jedynym źródłem energii dla wielu mikroorganizmów żyjących w warunkach beztlenowych

Glukoza 2 pirogronian (2ATP 2ADP ; 4ADP 4ATP; 2NAD 2NADH + H

Metabolizm fruktozy

• W mięśniach i tkance tłuszczowej - heksokinaza (wykorzystuje glukozę i fruktozę, produkt fruktozo-6-fosforan) glikoliza

• W wątrobie duże stężenie glukozy, (glukoza częściej wykorzystywana jest jako substrat, _{Km glu} 20x mniejsze niż K_{m fru} dla heksokinazy) fruktoza wchodzi do szlaku fruktozo-1-fosforanowego

Metabolizm galaktozy

Galaktozemia: zaburzenia w metabolizmie galaktozy - niemożność przekształcenia galaktozy w glukozę - najczęściej obniżona jest aktywność urydylotransferazy galaktozo-1-fosforanowej

Objawy: po spożyciu mleka biegunka, wymioty, powiększona wątroba, żółtaczka, zaćma (galaktikol - produkt redukcji galaktozy), opóźnienie w rozwoju umysłowym

Przeciwdziałanie: dieta bez laktozy

Metabolizm pirogronianu - 3 postawowe kierunki

• Fermentacje/synteza mleczanu - warunki beztlenowe

• Synteza alaniny

• Wejście do cyklu krebsa poprzez reakcję pomostową katalizowaną przez dehydrogenazę pirogronianową (warunki tlenowe)

Fermentacje - beztlenowe przemiany pirogronianu

Fermentacja mleczanowa - (enzym: dehydrogenaza mleczanowa), zachodzi tu regeneracja NAD+ w warunkach ograniczonego dostępu tlenu (np. podczas pracy mięśnia) po to, aby glikoliza mogła być kontynuowana

Pirogronian + NaDH + H+ mleczan + NAD+

Zastosowania w przemyśle:

• Produkcja napojów fermentowanych, twarogów, śmietany, serów, masła (mleczarstwo)

• Produkcja etanolu i piwa - ukwaszanie zacierów

• Fermentacja ciasta na zakwasie - piekarnictwo

• Produkcja kwasu mlekowego - przemysł spożywczy, tekstylny i skórzany

• Produkcja kiszonek (kapusta, ogórki, pasze dla bydła)

Fermentacja alkoholowa - charakterystyczna dla drożdży (2 etapy: 1 reakcja katalizowana przez dekarboksylazę pirogronianową oraz 2 reakcja katalizowana przez dehydrogenazę alkoholową)

1. Pirogronian CO2 + aldehyd octowy

2. Aldehyd octowy + NADH + H+ etanol + NAD+

Glukoza + 2ADP + 2Pi 2 etanol + 2CO2 + 2ATP

Zastosowanie w przemyśle

• Produkcja spirytusu, wina i piwa

• Produkcja kefiru

• Piekarnictwo - CO2 zapewnia ciastu odpowiednią porowatość

Fermentacja masłowa

Glukoza kwas masłowy + 2CO2 + 2H2

• W warunkach naturalnych zachodzi na dnie bagien, w glebach w warunkach beztlenowych

• Produkty uboczne: alkohol etylowy, kwas mlekowy, kwas octowy, metan

• Wykorzystywana do produkcji kwasu masłowego - surowca do wyrobu olejów aromatycznych i rozpuszczalników

• Częsta przyczyna wad i nieprawidłowości w przemyśle spożywczym - zakażenia bakteriami fermentacji masłowej kiszonek owocowych i warzywnych, przetworów mleczarskich (serów), półproduktów gorzelniczych, kiszonek paszowych dla bydła

Znaczenie fermentacji:

• W przemyśle - produkcja etanolu, wina, piwa, octu, acetonu, butanolu, kwasu cytrynowego, kwaszenie mleka i śmietany, produkcja napojów mlecznych, kiszenie ogórków, kapusty, sporządzanie kiszonek

• Umożliwiają regenerację NAD+ i dzięki temu dalszy przebieg procesu glikolizy

• Podczas glikolizy powstaje NADH z NAD+

• Bez O2, NADH nie może być utleniony do NAD+

• Wytwarzana jest energia, mniej jednak niż w procesach tlenowych

Synteza alaniny z pirogronianu

Synteza alaniny w reakcji katalizowanej przez aminotransferazę alaninową (ALAT) -

pirogronian (glutaminian 2-oksoglutaran) Alanina

Glukoneogeneza

• Synteza glukozy z prekursorów nie będących cukrami (mleczan, pirogronian, metabolity pośrednie cyklu kwasu cytrynowego, glicerol, szkielety węglowe aminokwasów)

• Nie jest to proste odwrócenie procesu glikolizy - oba procesy nigdy nie przebiegają w tej samej komórce w tym samym czasie

• Glukoneogeneza ma duże znaczenie w okresie łodu, albo intensywnego wysiłku - utrzymuje poziom glukozy na stałym poziomie we krwi - glukoza jest uniwersalnym „paliwem” dla wszystkich komórek

• Proces zachodzący przede wszystkim w wątrobie, w nerkach oraz jelicie cienkim - alternatywa do rozkładu glikogenu, regulowana głównie przez insulinę i glukagon

Kontrola glukoneogenezy

• Wysokie stężenie ATP, alaniny, cytrynianu i acetylo-CoA stymulują, a wysokie stężenie AMP, ADP, hamują proces glukoneogenezy

• Niskie stężenie cząsteczki fruktozo-2,6-bisfosforanu przyspiesza proces glukoneogenezy,

• Hormony: glukagon - stymuluje, a insulina hamuje proces glukoneogenezy

Reakcje glukoneogenezy wymagające nakładu energii:

1. Pierwsza reakcja glukoneogenezy, katalizowana jest przez karboksylazę pirogronianową w mitochondrium

Pirogronian + CO2 + ATP szczawiooctan + ADP + Pi

2. Reakcja powstawania PEP (fosfoenolopirogronianu), katalizowana przez karboksykinazę fosfoenolopirogronianową w cytoplazmie

Szczawiooctan + GTP fosfoenolopirogronian + GDP + CO2

Cykl Corich

• W warunkach wysiłku pirogronian utleniany jest do mleczanu w mięśniach (dzięki dehydrogenazie mleczanowej - LDH)

• Mleczan następnie wędruje do krwi, z nią do wątroby,

• Tu przekształcany jest z udziałem LDH w pirogronian,

• Z pirogronianu w procesie glukoneogenezy powstaje glukoza, która wraca do mięśni jako „paliwo”

Synteza polisacharydów - glikogen

• Regulacja syntezy glikogenu

• Syntaza glikogenowa jest enzymem allosterycznym, jak również regulowana jest przez modyfikacje kowalencyjne,

• Aktywną formą jest syntaza glikogenowa a, jest to forma zdefosforylowana,

• Forma zwykle nieaktywna syntaza glikogenowa b jest ufosforylowana,

• Glukozo-6-fosforan jest allosterycznym aktywatorem syntazy glikogenowej b

Szlak fosforanów pentoz

• Wtórny metabolizm glukozy:

• Synteza NADPH; wymagany np. w syntezie kwasów tłuszczowych, cholesterolu, neurotransmiterów, nukleotydów, redukcja utlenionego glutationu i monooksygenazy cytochromu P-450 - detoksyfikacja

• Synteza pentoz - pentozy są substratem i budulcem wielu biocząsteczek (kwasy nukleinowe, nukleotydy - ATP, koenzymy: NADH, koenzym A, FAD), witaminy

2 fazy: utleniająca (powstaje NADPH) i nieutleniająca - przemiany sacharydów

Faza utleniająca:

• Lokalizacja - cytozol

• Szlak bardzo aktywny w tkance tłuszczowej, gruczołach mlecznych i korze nadnerczy

• Niska aktywność w mięśniach szkieletowych

Synteza NADPH

1. Reakcja pierwsza cyklu, katalizowana przez dehydrogenazę glukozo-6-fosforanową.

Glukozo-6-fosforan + NADP+ 6-fosfoglukono-delta-lakton + NADPH + H+

2. Dekarboksylacja kwasu 6-fosfoglukonowego (C6C5 + C1), katalizowana przez dehydrogenazę 6-fosfoglukonianową

Kwas-6-fosfoglukonowy + NADP+ Rybulozo-5-fosforan + CO2 + NADPH + H+

Kontrola: najważniejsza jest pierwsza reakcja szlaku - nieodwracalna - katalizowana przez dehydrogenazę glukozo-6-fosforanową, enzym ten regulowany jest przez NADP+, duże stężenie tego koenzymu stymuluje jego aktywność

Etap nieutleniający

• Reakcje katalizowane przez transketolazę i transaldolazę są odwracalne, końcowe produkty szlaku zależą od potrzeb komórki.

• Produktem końcowym może być rybozo-5-fosforan lub glikolityczne intermediaty - fruktozo-6-fosforan lub aldehyd 3-fosfoglicerynowy

Fosforoliza i hydroliza glikogenu

• Alfa-amylaza (hydrolaza) hydrolizuje wiązania alfa-1,4-glikozydowe, produktem dekstryny i oligosacharydy

• Beta-amylaza (hydrolaza) hydrolizuje wiązania alfa-1,4-glikozydowe, produktem jest beta-maltoza

• Enzym usuwający rozgałęzienia (transferaza) przenosi fragment złożony z kilku reszt glukozy na koniec innego odgałęzienia umożliwiając atak fosforylazy

• Fosforylaza glikogenowa (transferaza=PHS1) rozbija wiązania alfa-1,4-glikozydowe i przenosi kolejno reszty glukozy z nieredukującego końca cząsteczki glikogenu na drugi substrat - resztę ortofosforanu (Pi), powstaje w ten sposób glukozo-1-fosforan - produkt reakcji fosforolizy

• Alfa-1,6-glukozydaza (hydrolaza) hydrolizuje wiązania alfa-1,6-glikozydowe, produktem jest glukoza

• Regulacja aktywności fosforylazy glikogenowej

• Fosforylaza glikogenowa występuje jako forma aktywna - fosforylaza a i zwykle „nieaktywna” fosforylaza b (aktywacja zachodzi po odwracalnej fosforylacji 1 reszty seryny w podjednostce enzymu)

• „Nieaktywna” fosforylaza b jest enzymem allosterycznym, dla którego aktywatorem jest AMP, a inhibitorem ATP i glukozo-6-fosforan

Aktywacja kinazy białkowej A zapoczątkowana hormonalnie - rysunek

Rozkład węglowodanów - trawienie

1 etap trawienia polisacharydów rozpoczyna się już w ustach - ślina ma lekko kwaśne pH, zawiera alfa-amylazę - alfa-1,4-endoglukozydazę

Polega na wstępnej hydrolizie polisacharydów do dobrze rozpuszczalnych w wodzie oligosacharydów i disacharydów

2 etap - kwaśna hydroliza polisacharydów w żołądku, aktywność alfa-amylazy obecnej w ślinie ulega zahamowaniu

3 etap degradacji polisacharydów (najważniejszy) rozpoczyna się w jelicie cienkim pod wpływem głównie alfa-amylazy wydzielanej przez trzustkę, produktem jej działania są oligo- i disacharydy. Końcowym produktem trawienia cukrów są monosacharydy również efekt aktywności odpowiednich enzymów hydrolitycznych, disacharydy (inwertazy, laktazy, maltazy, trehalazy)

Degradacja/wchłanianie sacharydów

• Monosacharydy transportowane są następnie poprzez wątrobę do komórek w całym organizmie

• Dalsze losy obejmują syntezę kwasów tłuszczowych, aminokwasów, glikogenu, bądź też w procesach katabolicznych ulegają utlenieniu z dostarczeniem energii

• Utlenienie glukozy - glikoliza. Produtem końcowym utlenienia glukozy może być pirogronian (w warunkach tlenowych) lub mleczan (beztlenowe, też przy długotrwałym wysiłku)

Zużycie glukozy w czasie:

Etap 1 - po spożyciu pokarmu. Wszystkie tkanki zużywają glukozę

Etap 2 - po wchłonięciu. Regulacja poziomu glukozy we krwi. Rozkład glikogenu, glukoneogeneza

- Mleczan

- Pirogronian

- Glicerol

- Aminokwasy

- Oszczędzanie glukozy przez rozkład tłuszczy

Etap 3 - początek głodowania, glukoneogeneza

Etap 4 - środkowy okres głodowania, glukoneogeneza, rozkład ciał ketonowych

Etap 5 - głodowanie

Wykład11 10 XII 08

Metabolizm lipidów

• Trawienie lipidów

• Rozkład triacylogliceroli - lipazy

• Beta-oksydacja kwasów tłuszczowych - nienasycone i nieparzystowęglowe kwasy tłuszczowe

• Synteza kwasów tłuszczowych

• Synteza cholesterolu

Kwasy tłuszczowe powstają z triacylogliceroli w wyniku działania LIPAZY. Sole żółciowe i zasadowe środowisko ułatwiają działanie lipazie. Innym produktem reakcji hydrolizy triacylogliceroli, poza kwasami tłuszczowymi, jest glicerol, który może być przekształcony w dwóch reakcjach do fosfodihydroksyacetonu, związku pośredniego w procesie glikolizy

Lipaza podjęzykowa

• Występuje w ślinie

• Wykazuje wyższe powinowactwo do średniołańcuchowych kwasów tłuszczowych w porównaniu do długołańcuchowych

• Chętnie hydrolizuje wiązanie estrowe pomiędzy kwasami tłuszczowymi nienasyconymi a glicerolem

• Nie hydrolizuje fosfolipidów i estrów cholesterolu

• Działa w jamie ustnej i żołądku - optymalne pH 2,2 - 6,0

Lipaza trzustkowa

• Wydzielanie podstawowe i stymulowane pokarmem

• Powinowactwo do kwasów tłuszczowych w pozycji alfa

• Optymalne pH 7,4 - 8,5

• Aktywacja jonami Ca²⁺ i kwasami żółciowymi

• 2 izoenzymy różniące się ruchliwością elektroforetyczną: S (slow) i F (fast) zbudowany z formy S i kolipazy

Wychwyt kwasów tłuszczowych przez tkanki

• Odbywa się na drodze dyfuzji - bez regulacji

• Zależy od ich stężenia w osoczu i aktualnego zapotrzebowania, ilości białek wiążących FA w cytoplazmie komórki i poziomu glukozy we krwi

• Utlenianie kwasów tłuszczowych zależy od ich stężenia we krwi w okresie międzytrawiennym - stanowią najbardziej wydajny i główny materiał energetyczny dla większości tkanek: komórek mięśni szkieletowych i sercowych, wątroby, nerek, skóry, ale nie dla mózgu (ciała ketonowe i glukoza)

• Wykorzystywane są do syntezy de novo i resyntezy lipidów złożonych itp.

Rozpad kwasów tłuszczowych

Lokalizacja: mitochondrium

Nazywany beta-oksydacją - degradacja kwasów tłuszczowych, która polega na utlenianiu długich łańcuchów kwasów tłuszczowych. Rozpad kwasu tłuszczowego o długości np. 16 C wymaga 7 kolejnych rund reakcji, podczas których dochodzi do odszczepienia jednostki 2C (reszty acylowej). Pojedyncza runda składa się z 4 etapów = 4 reakcji = utlenienie, uwodnienie, utlenienie, tioliza

Aktywacja kwasów tłuszczowych i ich transport do wnętrza mitochondrium

- Aktywacja KT polega na wytworzeniu wiązania tioestrowego z koenzymem A,

- Reakcja wymaga energii - zużywana jest cząsteczka ATP i katalizowana jest przez syntetazę acylo-CoA,

- Zachodzi na zewnętrznej błonie mitochondrialnej.

KT + ATP + HS-CoA Acylo-S-CoA + AMP + Ppi

- Transport do wnętrza mitochondrium

• Krótkie łańcuchy łatwo przenikają membranę, dłuższe niż 10 atomów węgla zaktywowane łańcuchy kwasów tłuszczowych, przechodzą przez błonę mitochondrialną przy pomocy KARNITYNY i TRANSLOKAZY karnityna/acylokarnityna, wymagane są także reakcje katalizowane przez 2 izoformy acetylotransferazy karnitynowej I i II

1. Utlenianie Acylo-CoA w mitochondrium

Utlenienie acylo-CoA do enoilo-CoA, powstaje FADH₂, enzym: dehydrogenaza acylo-CoA

Acylo-CoA + FAD FADH₂ + Enoilo-CoA

2. Uwodnienie Enoilo-CoA do 3-hydroksyacylo-CoA, enzym: hydrataza enoilo-CoA

Enoilo-CoA + H₂O Hydroksyacylo-CoA

3. Utlenienie Hydroksyacylo-CoA do 3-ketoacylo-CoA, powstaje NADH, enzym: dehydrogenaza 3-hydroksyloacylo-CoA

Hydroksyacylo-CoA + NAD⁺ Ketoacylo-CoA + NADH + H⁺

4. Tioliza = rozszczepienie 3-ketoacylo-CoA przez 2 cząsteczkę CoA, powstają acetylo-CoA (wykorzystywany głównie w cyklu Krebsa) i acylo-CoA (krótszy o 2 atomy C), enzym tiolaza 3-ketoacylo-CoA

Ketoacylo-CoA + CoA Acetylo-CoA + Acylo-CoA (krótszy o 2 C)

Powstawanie ciał ketonowych

Lokalizacja: wątroba

Alternatywa dla cyklu Krebsa w celu „zagospodarowania” acetylo-CoA

Do ciał ketonowych zalicza się: acetooctan, 3-hydroksymaślan oraz produkt dekarboksylacji acetooctanu - aceton. Ciała ketonowe dobrze rozpuszczają się w wodzie, ich stężenie we krwi może być wyższe niż stężenie kwasów tłuszczowych

Początek: odwrócenie reakcji katalizowanej przez tiolazę 3-ketoacetylo-CoA

Wyczuwalny w oddechu aceton: nie leczona cukrzyca lub kwasica ketonowa

• Funkcja ciał ketonowych:

• Odzyskanie wolnego CoA, umożliwia to zachodzenie beta-oksydacji sprzężonego z wytwarzaniem acetooctanu

• Hydroksymetyloglutarylo-CoA (HMG-CoA) jest prekursorem w syntezie cholesterolu

• Gromadzenie energii w tkankach innych niż wątroba (brak transferazy), niepotrzebny jest etap aktywacji kwasów tłuszczowych (oszczędność energii)

• Wykorzystywane przed wolnymi kwasami tłuszczowymi i węglowodanami, np. przez mózg w warunkach głodu

Nienasycone kwasy tłuszczowe (nawet 50 % lipidów roślinnych i zwierzęcych)

Początkowy etap beta-oksydacji przebiega normalnie, do momentu dojścia do podwójnego wiązania cis C=C między C3 i C4, konieczna jest wtedy odpowiednia izomeraza (wytwarza wiązanie podwójne trans między C2 i C3, które może ulec odwodnieniu i dalszym przemianom w cyklu).

Dla wielonienasyconych kwasów konieczna jest odpowiednia reduktaza

Nieparzystowęglowe KT

- Występują rzadko w przyrodzie

- W ostatnim możliwym etapie beta-oksydacji otrzymywany jest propionian (5C C3 + C2), a z niego po przekształceniach bursztynian - substrat z cyklu Krebsa, z niego z kolei powstaje szczawiooctan - związek glukogenny, konieczne są biotyna i witamina B₁₂

Zysk energetyczny procesu beta-oksydacji

Reakcja sumaryczna: palmitoilo-CoA + 7 FAD + 7 NAD⁺ + 7 CoA + 7 H₂O 8 acetylo-CoA + 7 FADH₂ + 7 NADH + 7 H⁺

1 runda beta-oksydacji dostarcza 1 cząsteczki FADH₂ i 1 cząsteczki NADH, co odpowiada 4 cząsteczkom ATP z fosforylacji oksydacyjnej. Dodatkowo energia uzyskana jest w cyklu Krebsa ze spalenia acetylo-CoA (1 cząsteczka acetylo-CoA odpowiada 10 cząsteczkom ATP)

Dla palmitynianu C16 będzie to odpowiednio

7 x 4ATP + 8Acetylo-CoA x 10 ATP = 28 + 80 = 108 ATP

Dla stearynianu C18

8 x 4ATP + 9 Acetylo-CoA x 10 ATP = 32 + 90 = 122 ATP

Na aktywację kwasu tłuszczowego przed beta-oksydacją zużywane jest 1 cząsteczka ATP, ale hydrolizie ulegają 2 wiązania makroergiczne (ATP AMP + PPi), co odpowiada hydrolizie 2 cząsteczek ATP do ADP

Całkowity zysk utlenienia palmitynianu wynosi więc 106 ATP, a stearynianu 120 ATP

Porównanie wydajności energetycznej utlenienia stearynianu (C18:0) i glukozy (3xC6)

Całkowite utlenienie stearyno-CoA dostarcza 120 cząsteczek ATP

Całkowite utlenienie glukozy (C6) dostarcza 30 cząsteczek ATP x 3 (18 C) = 90 ATP

Utlenienie kwasów tłuszczowych jest bardziej wydajne niż utlenienie glukozy

Synteza kwasów tłuszczowych

• Kolejne kondensacje jednostek C2 w postaci acetylo-CoA, w cyklu 4 reakcji (kondensacja, redukcja, odwodnienie, redukcja), prowadzące do powstania długich łańcuchów węglowodorowych. Nie jest to proste odwrócenie beta-oksydacji

• Tylko jeden enzym: syntaza kwasów tłuszczowych, związkiem redukującym jest NADPH, proces zachodzi w cytozolu, związki pośrednie w procesie syntezy związane są przez białko ACP (ang Acyl Carrier Protein)

Transport acetylo-CoA do cytozolu

• Substraty w reakcji syntezy kwasów tłuszczowych: acetylo-CoA, ATP i NADPH

• Acetylo-CoA wymaga przeniesienia z mitochondrium, gdzie powstaje, do cytoplazmy. Acetylo-CoA nie może przeniknąć przez błonę mitochondrialną. Transport odbywa się przez kondensację Acetylo-CoA ze szczawiooctanem - powstaje cytrynian i w ten sposób przedostaje się przez podwójną membranę mitochondrium, cytrynian w cytoplazmie ulega rozszczepieniu z udziałem liazy cytrynianowej zależnej od ATP na szczawiooctan i acetylo-CoA

• NADPH pochodzi z cyklu pentozofosforanowego oraz powstaje w reakcji katalizowanej przez enzym jabłczanowy dekarboksylujący zależny od NADP - z jabłczanu powstaje pirogronian i CO₂

Karboksylacja acetylo-CoA do malonylo-CoA, enzym karboksylaza acetylo-CoA, zawierająca biotynę jako grupę prostetyczną

Acetylo-CoA + HCO₃^- + ATP malonylo-CoA + ADP + Pi + H⁺

Cykl wydłużania się kwasów tłuszczowych rozpoczyna się wytworzeniem kompleksów z białkiem ACP: acetylo-ACP i malonylo-ACP (z uwolnieniem CoA) (enzymy: transacylaza acetylowa/transacylaza malonylowa)

Kondensacja acetylo-ACP i malonylo-ACP, enzym: enzym kondensujący acylomalonylo-ACP

Acetylo-ACP i malonylo-ACP acetoacetylo-ACP + ACP + CO₂

Redukcja acetoacetylo-ACP do hydroksybutyrylo-ACP, koenzymem jest NADPH, enzym: reduktaza beta-ketoacylo-ACP

Acetoacetylo-ACP + NADPH + H⁺ Hydroksybutyrylo-ACP + NADP⁺

Odwodnienie D-3-hydroksybutyrylo-ACP do krotonylo-ACP, enzym: dehydrataza 3-hydroksyacylo-ACP

Hydroksybutyrylo-ACP Krotonylo-ACP + H₂O

Redukcja krotonylo-ACP do butyrylo-ACP, koenzymem jest NADPH, enzym: reduktaza enoilo-ACP

Krotonylo-ACP + NADPH + H⁺ butyrylo-ACP + NADP⁺

Synteza kwasów tłuszczowych - reakcja sumaryczna wytworzenia palmitynianu

8 acetylo-CoA + 7ATP + 14 NADPH + 6H⁺ palmitynian + 14 NADP⁺ + 8CoA + 6H₂O + 7ADP + 7Pi

• Rozpoczyna się, gdy węglowodany i energia (ATP) obecne są w dużych ilościach, a brakuje kwasów tłuszczowych

• Kluczowym enzymem jest karboksylaza acetylo-CoA, która podlega fosforylacji - postać ufosforylowana jest nieaktywna, odpowiednia kinaza białkowa zależna jest od ATP i AMP. Jeżeli stosunek stężeń ATP/AMP ma dużą wartość, synteza kwasów tłuszczowych zachodzi, w przeciwnym razie jest wyłączona (patrz schemat kontroli aktywności karboksylazy)

• Wysokie stężenie cytrynianu aktywuje syntezę kwasów tłuszczowych, natomiast wysokie stężenie palmitynianu hamuje ten proces

• Glukagon i adrenalina hamują syntezę KT, z kolei insulina przyspiesza syntezę KT

Porównanie rozpadu i syntezy kwasów tłuszczowych

Rozpad kwasów tłuszczowych	Synteza kwasów tłuszczowych
Zachodzi w mitochondriach	Zachodzi w cytozolu
Redukowany jest NAD^+i FAD	Utleniany jest NADPH
Kwasy tłuszczowe wiążą się z koenzymem A	Kwasy tłuszczowe związane są z białkowym nośnikiem grup acylowych (ACP)
Poszczególne aktywności enzymatyczne związane są z różnymi enzymami (w procesie biosyntezy białka różne łańcuchy polipeptydowe)	Za syntezę odpowiedzialna jest syntaza kwasów tłuszczowych (w procesie biosyntezy białka 1 łańcuch polipeptydowy)

Synteza kwasu fosfatydowego

Lokalizacja: cytozol

- Prekursorem jest glicerol i jego pochodne: fosforan dihydroksyacetonu lub 3-fosforan glicerolu, aktywowane kwasy tłuszczowe uwalniane są z kompleksu syntazy kwasów tłuszczowych

- Powstały kwas fosfatydowy jest substratem w syntezie fosfolipidów - głównego składnika błon komórkowych, lub w syntezie triacylogliceroli

Synteza triacylogliceroli

Lokalizacja: cytozol

- Substratem jest kwas fosfatydowy i zaktywowane kwasy tłuszczowe o łańcuchach składających się z minimum 10 C

- Synteza triacylogliceroli odbywa się po ich strawieniu i wchłonięciu w nabłonku jelita - resynteza, triacyloglicerole następnie transportowane są do wątroby w postaci lipoprotein - chylomikronów (90-95% ich składu)

- Na chylomikrony działa lipaza lipoproteinowa, która uwalnia kwasy tłuszczowe - mogą one ulegać beta-oksydacji lub być zmagazynowane w postaci triacylogliceroli w tkance tłuszczowej

Synteza cholesterolu

- Prekursorem jest acetylo-CoA

- Cholesterol: podstawowy składnik błon komórkowych i prekursor w syntezie chormonów steroidowych (progesteron, testosteron, estradiol, kortyzol)

- 3-etapowa synteza

1. Synteza pirofosforanu izopentenylu - wytworzenie jednostek pirofosforanu izpopentenylu (C5) zachodzi w cytozolu z acetylo-CoA i acetoacetylo-CoA, powstaje hydroksymetyloglutarylo-CoA (HMG-CoA)

Acetylo-CoA + acetoacetylo-CoA + 2NADPH + 2H⁺ + 3ATP pirofosforan izopentenylu + 2NADP⁺ + 3ADP + Pi + CO₂

2. Kondensacja 6 cząsteczek pirofosforanu izopentenylu w cząsteczkę skwalenu

3. Przekształcenia skwalenu w cholesterol

• Znaczenie cholesterolu

• Cholesterol i triacyloglicerole transportowane są we krwi w postaci lipoprotein o różnej gęstości:

• Lipoproteiny o małej gęstości (LDL) zawierają około 1500 estryfikowanych cząsteczek cholesterolu najczęściej z linolanem, główna funkcja LDL to transport cholesterolu do tkanek obwodowych i regulacja syntezy de novo cholesterolu, w tych miejscach tzw „zły cholesterol”

• Lipoproteiny o dużej gęstości (HDL) zbierają cholesterol z osocza obumarłych komórek i błon i transportują go do wątroby, gdzie ulega dalszym przemianom, tzw „dobry cholesterol”

• Wysoki poziom cholesterolu we krwi może powodować powstawanie płytki arteriosklerotycznej w naczyniach, spowodowane jest to przez LDL. U zdrowych osób stosunek LDL/HDL wynosi 3,5

• Obniżenie poziomu cholesterolu we krwi

• 2 strategie

• Blokada syntezy cholesterolu de novo

• Blokada reabsorbcji soli żółciowych w jelicie

• Statyny (np. lowastatyna/mewinolina), czyli inhibitory współzawodniczące, które hamują biosyntezę cholesterolu, działają na enzym: reduktaza HMG-CoA

• Dodatnio naładowane polimery (np. cholestyramina), które blokują wchłanianie żółci (reabsorpcję) poprzez ich związanie

• Dietę bogatą w błonnik, działanie podobne jak cholestyraminy oraz uboga w tłuszcze zwierzęce - jedyne źródło cholesterolu

Synteza kwasów żółciowych

- Kwasy żółciowe są główną postacią wydzielania cholesterolu u ssaków

- Syntetyzowane są w wątrobie

Cholilo-CoA + glicyna = kwas glikocholowy

Cholilo-CoA + tauryna (pochodna cysteiny) = kwas taurocholowy

- Funkcje: detergenty, ułatwiają trawienie lipidów i wchłanianie witamin A, D, E i K

Synteza hormonów steroidowych

Etap 1: usunięcie sześciowęglowej jednostki z cholesterolu - z łańcucha bocznego: powstaje metabolit pośredni pregnelon

Etap 2: modyfikacje pregnelonu z udziałem cytochromu P-450 - monooksygenazy wprowadzającej atom tlenu z udziałem NADPH

Przykłady: progesteron, testosteron, estron, kortyzol, aldosteron

Wykład 12 17 XII 08

Etapy utleniania biologicznego. Fotosynteza.

Utlenianie biologiczne

• Część procesu oddychania tlenowego, zachodzi w mitochondriach (lub mezosomach - bakterie) i polega na całkowitym utlenieniu pirogronianu (powstałego w glikolizie) do CO2 i H2O oraz magazynowaniu energii w ATP

• Procesy oddechowe dostarczają komórce energii do podtrzymywania wielu endoergicznych reakcji, umożliwiają również magazynowanie i przekształcanie energii

• Dodatkowo w tych procesach powstaje wiele ważnych metabolitów pośrednich

Etapy procesu utlenienia cząsteczek organicznych do CO2 i H2O połączonego z wytwarzaniem ATP

1 etap - utlenianie cząsteczek pokarmowych do acetylo-CoA

2 etap - cykl kwasu cytrynowego/Cykl Krebsa

3 etap - utlenianie NADH i FADH2 utworzonych w cyklu kwasu cytrynowego w łańcuchu oddechowym

Ad.1. Utlenianie cząsteczek pokarmowych do acetylo-CoA

• Oddychanie tlenowe rozpoczyna się właściwie od rozłożenia substancji pokarmowych (polisacharydy, tłuszcze, białka) do prostych związków (heksozy, kwasy tłuszczowe, glicerol, aminokwasy), które następnie mogą ulec przekształceniu w pirogronian. Proces ten nazywamy trawieniem, u zwierząt i człowieka odbywa się on w przewodzie pokarmowym

• Cykl Krebsa i łańcuch oddechowy „kończy” procesy kataboliczne, prowadzące do wytworzenia energii w postaci ATP, oraz CO2

Powstawanie acetylo-CoA - REAKCJA POMOSTOWA - łączy glikolizę z CKT

Jeden z substratów, jednostka 3C - pirogronian, może pochodzić z:

• Glikolizy, (w glikolizie glukoza pirogronian)

• Przemian niektórych aminokwasów (deaminacje, transaminacje)

Acetylo-CoA powstaje z pirogronianu dzięki katalizowanej przez kompleks dehydrogenazy pirogronianowej (katalizuje dekarboksylację oksydacyjną, czyli utlenianie pirogronianu i odłączanie CO2). Reakcja ta stanowi pomost między glikolizą a cyklem Krebsa i zachodzi w matriks mitochondrialnej

Pirogronian + CoA + NAD⁺ acetylo-CoA + CO2 + NADH

Kompleks dehydrogenazy pirogronianowej składa się z 3 enzymów:

Dehydrogenaza pirogronianowa

Acetylotransferaza dihydrolipoamidowa

Dehydrogenaza dihydrolipoamidowa

I 5 koenzymów:

Pirofosforan tiaminy - TPP

Kwas liponowy

FAD

NADH

CoA

Brak lub obniżona aktywność dehydrogenazy pirogronianowej gromadzenie się alaniny, kwasu mlekowego i pirogronianu, prowadzi do rozległych defektów neurologicznych i śmierci

Regulacja aktywności dehydrogenazy pirogronianowej

• Odbywa się poprzez hamowanie produktem: NADH i acetylo-CoA w nadmiarze hamują aktywność tego enzymu

• Innym sposobem regulacji aktywności dehydrogenazy pirogronianowej jest odwracalna fosforylacja/defosforylacja katalizowana przez odpowiednią kinazę i fosfatazę dehydrogenazy pirogronianowej. Ufosforylowana postać enzymu jest nieaktywna

• Duże stężenie ATP, który jest substratem w reakcji katalizowanej przez kinazę powoduje zahamowanie reakcji dekarboksylacji oksydacyjnej i jednocześnie całego cyklu utleniania cząsteczek pokarmowych do acetylo-CoA

• Wysokie stężenie pirogronianu wpływa stymulująco na szybkość całego procesu

Ad.2. Cykl kwasu cytrynowego/Cykl Krebsa

• Zachodzi w mitochondriach eukariontów (lub cytozolu prokariontów).

• Następuje w nim utlenianie grup acetylowych acetylo-CoA do CO2, co uwalnia 4 pary elektronów zmagazynowanych w NADH i FADH2.

• Energia chemiczna zmagazynowana w zredukowanych koenzymach uwolniona jest następnie w łańcuchu oddechowym.

• W cyklu Krebsa powstaje energia w postaci GTP (lub ATP u roślin) i prekursory dla wielu szlaków biosyntetycznych

Acetylo-CoA + 3NAD⁺ + FAD + GDP + Pi + 2H2O 2CO2 + 3NADH + FADH2 + GTP + 2H⁺ + CoA

Wybrane reakcje cyklu kwasu cytrynowego

1. Pierwsza reakcja cyklu: syntaza cytrynianowa

Szczawiooctan + acetylo-CoA + H2O cytrynian + CoA + H⁺

4C + 2C 6C

2. Utlenianie izocytrynianu - uwolnienie CO2 - dehydrogenaza izocytrynianowa

Izocytrynian + NAD⁺ alfa-ketoglutaran + CO2 + NADH + H⁺

6C 1C + 5C

3. Utlenianie bursztynianu (dehydrogenaza bursztynianowa)

Bursztynian + FAD fumaran + FADH2

4C 4C

4. Utlenianie jabłczanu (dehydrogenaza jabłczanowa)

L-jabłczan + NAD⁺ szczawiooctan + NADH + H⁺

4C 4C

Regulacja CKT

• Dehydrogenaza pirogronianowa - hamowana przez NADH i acetylo-CoA oraz na drodze modyfikacji kowalencyjnej - fosforylacji/defosforylacji

• Syntaza cytrynianowa - hamowana przez cytrynian i ATP

• Dehydrogenaza izocytrynianowa - hamowana przez NADH i ATP, aktywowana przez ADP

• Dehydrogenaza alfa-ketoglutaranowa - hamowana przez NADH i bursztynylo-CoA

Do czego wykorzystywane są produkty pośrednie powstałe w cyklu Krebsa?

• Synteza kwasów tłuszczowych z cytrynianu

• Synteza aminokwasów z alfa-ketoglutaranu

• Synteza nukleotydów purynowych i pirymidynowych z alfa-ketoglutaranu i szczawiooctanu

• Glukoneogeneza z szczawiooctanu

• Synteza pierścienia porfirynowego w grupach hemowych z bursztynylo-CoA

Reakcje anaplerotyczne cyklu Krebsa (uzupełniające)

Cel: uzupełnienie metabolitów z cyklu Krebsa

Fosfoenolopirogronian + CO2 + GTP szczawiooctan + GDP (karboksylaza fosfoenolopirogronianowa)

Glutaminian + pirogronian alfa-ketoglutaran + alanina (aminotransferaza alaninowa)

Glutaminian + szczawiooctan alfa-ketoglutaran + asparaginian (aminotransferaza asparaginianowa)

Potencjał oksydoredukcyjny E, potencjał redoks - jest miarą powinowactwa substancji do elektronów.

• Jego pomiar przeprowadza się w stosunku do wodoru, wyrażany jest w woltach (V).

• Zmiana potencjału redoks delta-E prowadzonej w pH 7,0 reakcji oksydoredukcyjnej o 1V równa jest zmianie energii swobodnej deltaG^o o około 193 kJ/mol.

• Potencjał układu zależy od równowagi stężeń molowych formy utlenionej i zredukowanej danego układu

• E>0 oznacza, że substancja ma większe powinowactwo do elektronów niż wodór - będzie przyjmować elektrony od wodoru, np. O2 ma potencjał redoks dodatni

• E<0 oznacza, że substancja ma mniejsze powinowactwo do elektronów, niż wodór - będzie oddawać elektrony do H⁺, np. NADH ma potencjał redoks ujemny

Ad.3. Utlenianie NADH i FADH2 utworzonych w cyklu kwasu cytrynowego w transporcie elektronów sprzężonym z fosforylacją oksydacyjną, prowadzącą do syntezy ATP

NADH + H⁺ + ½ O2 NAD⁺ + H2O deltaE = +1,14V, deltaG^o = -220,2 kJ/mol

Transport elektronów - odbywa się poprzez łańcuch oddechowy, czyli układ przenośników elektronów umiejscowiony na wewnętrznej membranie mitochondrialnej, odpowiedzialny za przepływ elektronów z NADH do tlenu. Elektrony płyną w kierunku od układu o niższym potencjale do układu o wyższym potencjale redoksowym

Synteza ATP:

ADP + Pi + H⁺ ATP + H2O deltaG^o = +30,5 kJ/mol

Utlenienie NADH teoretycznie wystarczyłoby do syntezy 7 cząsteczek ATP

Łańcuch oddechowy - skład:

• Dehydrogenaza NADH - reduktaza NADH-Q = kompleks 1 (około 30 polipeptydów, grupa prostetyczna: FMN FMNH2, niehemowe centra Fe-S = Fe³⁺Fe²⁺)

• Koenzym Q: ubichinon - CoQ ubichinol - CoQH2

• Kompleks cytochromów bc1 = reduktaza cytochromowa = kompleks III (cytochrom b i cytochrom c1 z grupą hemową Fe³⁺Fe²⁺

• Cytochrom c (z grupą hemową Fe³⁺ Fe²⁺)

• Oksydaza cytochromowa = kompleks IV (cytochrom a i cytochrom a3 z Cu²⁺ Cu⁺

Pompy protonowe

FADH2, drugi z koenzymów powstający w cyklu Krebsa utleniany jest za pośrednictwem dehydrogenazy bursztynianowej, przeniesione elektrony na ubichinon (CoQ) wchodzą do łańcucha elektronów z pominięciem jednej pompy H⁺

Uwolniona energia, dzięki zmianie potencjału redoks w łańcuchu oddechowym, służy do wypompowania jonów H⁺ z matriks mitochondrialnej poprzez wewnętrzną błonę mitochondrialną do przestrzeni międzybłonowej - tworzy się gradient H⁺, a funkcję pomp protonowych spełniają:

Kompleks dehydrogenazy NADH,

Kompleks cytochromów bc1,

Kompleks oksygenazy cytochromowej

Synteza ATP = fosforylacja oksydacyjna

Enzym: syntaza ATP - największe źródło ATP w komórce, polega na syntezie ATP, zachodzącej podczas utlenienia NADH (2,5 cząsteczek ATP) i FADH2 (1,5 cząsteczki ATP) sprzężonej z transportem elektronów przez łańcuch oddechowy i wytworzeniem w poprzek wewnętrznej membrany mitochondrialnej gradientu protonowego

ADP + Pi + H⁺ ATP + H2O, deltaG^o = +30,5 kJ/mol

Regulacja transportu elektronów:

• Inhibitory transportu elektronów: rotenon, amytal (dehydrogenaza NADH), antymycyna A (cytochrom bc1), cyjanej, azydek, tlenek węgla (oksydaza cytochromowa)

• Kontrola oddechowa - elektrony przepływają przez łańcuch tylko wtedy, gdy potrzebna jest synteza ATP, przy dużym stężeniu ATP transport elektronów nie działa, gromadzi się NADH i FADH2 oraz cytrynian, co hamuje cykl kwasu cytrynowego i glikolizę

• Rozprzęgacze - (np. 2,4-dinitrofenol - DNP, termogenina = białko rozprzęgające, białko UCP) hamują syntezę ATP - likwidując gradient H⁺, nie przerywają transportu elektronów - powstająca energia w jego trakcie uwalniana jest w postaci ciepła - proces nazywa się „bezdrżeniową” termogenezą, przebiega w brunatnej tkance tłuszczowej szczególnie u noworodków i u zwierząt hibernacyjnych

Reoksydacja cytozolowego NADH wytwarzanego w glikolizie - przenoszenie elektronów z cytoplazmy do mitochondrium - do łańcucha oddechowego. Wewnętrzna błona mitochondrialna nie jest przepuszczalna dla NADH, dlatego konieczne są reakcje enzymatyczne, które „wprowadzą” elektrony ze zredukowanych koenzymów w cytoplazmie do łańcucha oddechowego w mitochondrium

• Czółenko glicerolo-3-fosforanowe (elektrony przenoszone są przez membranę w postaci glicerolo-3-fosforanu), utlenianie NADH z cytoplazmy za pośrednictwem tego czółenka umożliwia syntezę 1,5 cząsteczki ATP (zamiast 2,5 cząsteczki)

NADH FADH2

• Czółenko jabłczanowo - asparaginianowe - elektrony przenoszone są przez membranę w postaci jabłczanu, utlenienie NADH z cytoplazmy za pośrednictwem tego czółenka umożliwia syntezę 2,5 cząsteczki ATP (NADH NADH)

FOTOSYNTEZA

Zachodzi w roślinach zielonych, bakteriach fotosyntetyzujących i sinicach (autotrofy = organizmy samożywne). W tym procesie energia słoneczna wykorzystywana jest do syntezy węglowodanów z CO2 i H2O

6H2O + 6CO2 C6H12O6 + 6O2 - 678 kcal

Fotosyntezę można podzielić na 2 fazy

• W reakcjach świetlnych (faza jasna) syntetyzowane są NADPH i ATP (tzw siła asymilacyjna) - umożliwia ona zajście kolejnych przemian oraz uwalniany jest O2. Reakcje świetlne przebiegają w tylakoidach chloroplastów lub chromatoforach - u bakterii

• W reakcjach niezależnych od światła (faza ciemna = cykl Calvina) NADPH i ATP zużywane są w trakcie syntezy węglowodanów z CO2 i H2O (następuje asymilacja CO2). Przebiegają one w stromie chloroplastów

Reakcja sumaryczna cyklu Calvina dla wytworzenia 1 cząsteczki glukozy

6CO2 + 18ATP + 12NADPH + 12H2O C6H12O6 + 18ADP + 18Pi + 12NADP⁺ + 6H⁺

Fotosystemy - faza jasna

Energia słoneczna pochłaniana jest w fotosystemach składających się z:

• Kompleksu antenowego (kilka tysięcy cząsteczek chlorofilu a i b oraz barwników pomocniczych: karotenoidów lub fikobylin). Kompleks antenowy pochłania (absorbuje) światło słoneczne

• Centrum reakcji fotosyntetycznej - 2 cząsteczki chlorofilu, z których przekazywane są elektrony na przenośniki elektronów

Budowa chlorofilu - układ tetrapirolowy z atomem magnezu, jako centralnego jonu metalu, fitol jest 20C alkoholem o silnie hydrofobowym charakterze, pozwala to na zakotwiczenie chlorofilu w błonie aktywnej fotosyntetycznie

Wyróżniamy 2 typy fotosystemów u roślin wyższych:

• Fotosystem I (PSI) - odpowiada za syntezę NADPH oraz uczestniczy w fosforylacji cyklicznej

• Fotosystem II (PSII) - odpowiada za fotolizę H2O i uwalnianie O2

Chlorofil występujący w PSI wykazuje maksimum absorbancji przy długości 700 nm - nazywany jest P700, a chlorofil z PSII przy 680 nm - nazywany jest P680

Fosforylacja niecykliczna - fotoliza H2O, uwalnianie O2

• Światło jest pochłaniane przez kompleks antenowy PSII i energia kierowana jest do centrum reakcji fotosyntetycznej. Wzbudzony P680 (P680*) emituje elektron o wysokiej energii, który przechodzi do plastochinonu (PQ). PQ odbiera 2 elektrony i 2 jony H⁺, powstaje PQH2. P680 pozostaje jako kation P680⁺. P680⁺ pobiera elektron z H2O, uwalnia O2 i powraca do stanu niewzbudzonego

• Elektrony z PQH2 przenoszone są przez kompleks cytochromów_bf do plastocyjaniny (PC)

• Światło jest pochłaniane przez kompleks antenowy PSI i energia kierowana jest do centrum reakcji fotosyntetycznej. Wzbudzony P700 (P700*) emituje elektron o wysokiej energii, który przechodzi do ferredoksyny. P700 pozostaje jako kation P700⁺. P700⁺ przyjmuje elektron z PC i powraca do stanu niewzbudzonego

• 2 elektrony z 2 cząsteczek zredukowanej ferredoksyny transportowane są na NADP⁺, reakcje katalizuje reduktaza NADP

Fosforylacja cykliczna - synteza ATP

Odbywa się podczas niewielkiej dostępności NADP⁺ w chloroplaście, a elektrony wędrują alternatywnym szlakiem:

• Światło jest pochłaniane przez kompleks antenowy PSI i energia kierowana jest do centrum reakcji fotosyntetycznej. Wzbudzony P700 (P700*) emituje elektron o wysokiej energii, który przechodzi do ferredoksyny. P700 pozostaje jako kation P700⁺. P700⁺ przyjmuje elektron z PC i powraca do stanu niewzbudzonego

• Elektrony z cząsteczek zredukowanej ferredoksyny transportowane są na cytochromy_bf zamiast na NADP⁺ (występuje jego niedobór). Następnie elektrony przepływają do plastocyjaniny i z powrotem do kationu P700⁺

Porównanie fosforylacji
Cykliczna	Niecykliczna
Uczestniczy PSI	Uczestniczy PSI i PSII
Powstaje tylko ATP	Powstaje ATP i NADPH
-	Fotoliza H2O, uwalnianie O2

Reakcje ciemne fotosyntezy - rośliny C3

• Reakcje wiązania węgla = cykl Calvina - wykorzystywane są tu NADPH i ATP, które powstają w fazie jasnej fotosyntezy, a końcowym produktem jest sacharoza i skrobia

• Cykl Calvina obejmuje:

• Karboksylacje - przyłączenie CO2 do akceptora, reakcja katalizowana jest przez rubisco = oksygenazę/karboksylazę rybulozo-1,5-bisfosforanu

• 2-etapowe redukcje - 3C kwasu organicznego do aldehydu (potrzebna jest energia i wodór z koenzymu)

• Regeneracje - odtworzenie akceptora CO2

Karboksylacja

Rybulozo-1,5-bisfosforan + CO2 + H2O 2 3-fosfoglicerynian

Redukcja 3C kwasu organicznego do aldehydu

1 etap: kwas 3-fosfoglicerynowy + ATP kwas 1,3-difosfoglicerynowy + ADP

2 etap: kwas 1,3-difosfoglicerynowy + NADPH + H⁺ aldehyd 3-fosfoglicerynowy + NADP⁺ + Pi

Cykl Calvina

Aldehyd 3-fosfoglicerynowy wykorzystywany jest do syntezy najpierw heksoz, a następnie sacharozy i skrobi. Synteza sacharozy przebiega w cytozolu (sacharoza jest transportowana z miejsca syntezy do wszystkich organów rośliny), a skrobi w chloroplastach

„Modyfikacje” cyklu Calvina

• Fotooddychanie - efekt przyłączenia O2 do rybulozo-1,5-bisfosforanu zamiast CO2, ¾ jednostek węglowych jest zachowane, ¼ w postaci CO2 wraca do atmosfery. Wydzielany jest też jon amonowy, nie powstaje ATP i NADPH. Fotooddychanie może powodować do 30% strat w plonach

• Fotoinhibicja - hamuje wytwarzanie cukrów poprzez niedobór CO2, ATP i NADPH są produkowane w reakcjach świetlnych, ale za mało jest CO2 do ich pełnego wykorzystania. Występuje w trakcie silnego naświetlenia, suszy oraz w warunkach wysokogórskich

• Rośliny gruboszowate - metabolizm CAM - ewolucyjna adaptacja roślin do warunków ubogich w wodę. CO2 pobierany jest tylko nocą i magazynowany jest w wakuolach w postaci jabłczanu. W ciągu dnia przy zamkniętych szparkach następuje dekarboksylacja jabłczanu i asymilacja CO2 w cyklu Calvina

Rośliny C4 - szlak C4 (pierwszy trwały produkt po asymilacji CO2 4C - szczawiooctan lub jabłczan). Występuje często anatomia Kranza: komórki mezofilu, gdzie następuje wiązanie CO2 i komórki pochwy okołowiązkowej, gdzie ma miejsce cykl Calvina - ewolucyjna adaptacja roślin ograniczająca prez separację przestrzenną fotooddychanie (kukurydza, ryż, proso, trzcina cukrowa, amaranthus)

CHEMOSYNTEZA - drugi oprócz fotosyntezy rodzaj samożywności

Energia potrzebna do asymilacji CO2 nie pochodzi ze słońca, a z utleniania związków nieorganicznych lub zredukowanych i prostych połączeń węgla.

Cechy chemosyntezy:

• Nie zależy od światła

• Może przebiegać całą dobę

• Ogranicza ją jedynie dostępność substratów, a wydajność energetyczna przemian nie jest wysoka

• Duże znaczenie w cyklach biogeochemicznych: azotu, siarki, węgla, natomiast w mniejszym stopniu przyczynia się do produkcji biomasy

Bakterie azotowe - (Nitrosomonas, utlenia amoniak do azotynów)

2NH3 + 3O2 2HNO2 + 2H2O + 158 kcal

Bakterie metanowe - utleniają metan i inne jednowęglowe związki organiczne

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O + 106 kcal

Wykład 13 7 I 09

Metabolizm związków azotowych: białek, aminokwasów, cykl mocznikowy.

Cykl azotu - obieg azotu w biosferze, obejmuje bakterie, rośliny i zwierzęta. Wszystkie organizmy mogą wbudować NH₃ do organicznych związków azotowych - zawierają wiązanie C-N

N₂ - stanowiący ok. 80% atmosfery ziemskiej jest nieaktywny chemicznie i tylko nieliczne organizmy są zdolne do jego redukcji zwanej wiązaniem azotu

Jony NO₃^- obecne w glebie są redukowane przez większość mikroorganizmów i roślin do amoniaku.

Azotowe związki organiczne ulegają przemianom katabolicznym do aminokwasów, porfiryn, nukleotydów oraz w dalszych etapach do amoniaku i azotu atmosferycznego.

Wiązanie azotu:

Przemiana N₂ w NH_3, przeprowadzana jest przez diazotrofy (np.: Klebsiella, Azotobacter, Rhizobium, sinice) - wiążą one ok. 60% NH₂, 15% wiązane jest podczas wyładowań atmosferycznych oraz w wyniku działania promieniowania UV, reszta N₂ wiązana jest w procesach przemysłowych

Organizmy żywe wiążą azot poprzez kompleks nitrogenazy, który składa się z 2 białek: reduktazy i nitrogenazy. Elektrony potrzebne w tej reakcji pochodzą ze zredukowanej ferredoksyny, ta powstaje w fotosystemie I, albo w oksydacyjnym transporcie elektronów, transport elektronów z reduktazy do nitrogenazy powiązany jest z hydrolizą ATP.

Reakcja sumaryczna:

N₂ + 8e + 8H⁺ + 16ATP + 16H₂O 2NH₃ + H₂ + 16ADP + 16P_i

Dwustopniowa redukcja jonów NO₃^-

Jony NO₃^- ulegają redukcji dwustopniowo, reakcje katalizowane są przez kolejno:

• reduktazę azotanową

NO₃^- + NAD(P)H + H⁺ + 2e NO₂^- + NAD(P)⁺ + H₂O

• reduktazę azotynową

NO₂^- + 3NAD(P)H + 5H⁺ + 6e -> NH₄⁺ + 3NAD(P)⁺ + 2H₂O

W tkankach fotosyntetyzujących źródłem elektronów może być zredukowana ferredoksyna zamiast NAD(P)H.

Asymilacja azotu - GS

Jedynie azot w postaci NH₄⁺ może być asymilowany do związków organicznych zawierających azot. Odbywa się to u wszystkich organizmów dzięki 2 reakcjom:

1. Katalizowanych przez syntetazę glutaminową (GS) - ligazę, produktem jest glutamina, koenzymem jest ATP

2. Katalizowanych przez dehydrogenazę glutaminianową (GDH) - oksydoreduktazę, produktem jest glutaminian, koenzymem może być NADH (kierunek rozkładu glutaminianu) lub NADPH (kierunek syntezy glutaminianu)

Kwas glutaminowy może ulegać reakcji transaminacji - prekursor w syntezie innych aminokwasów w reakcji jego utlenienia powstaje amoniak, który może być wykorzystywany w cyklu mocznikowym, oraz 2-oksoglutaran jeden z metabolitów cyklu Krebsa,

Cykl GS-GOGAT

Przy niskich stężeniach NH₄⁺ kwas glutaminowy syntetyzowany jest w cyklu GS-GOGAT:

• Najpierw NH₄⁺ asymilowany jest przez syntetazę glutaminy (GS), wymagana hydroliza ATP

• Później następuje redukcyjna aminacja 2-oksoglutaranu gdzie glutamina wykorzystywana jest jako dawca azotu w reakcji katalizowanej przez syntetazę glutaminianową (GOGAT)

Reakcja sumaryczna:

NH₄⁺ + 2-oksoglutaran + NADPH + ATP glutaminian + NADP⁺ + ADP + P_i

Biosynteza aminokwasów:

Biosynteza aminokwasów może obejmować od 1 do 15 etapów. Najczęściej wiele etapów wymaganych jest w syntezie aminokwasów egzogennych, na drodze ewolucji, u organizmów wyższych, potrzebne enzymy do ich syntezy zostały utracone i aminokwasy te muszą być przyjmowane z pożywieniem

Grupa aminowa potrzebna do syntezy aminokwasów pochodzi najczęściej z reakcji transaminacji glutaminianu, szkielety węglowe wywodzą się z:

- cyklu Krebsa

- glikolizy

- szlaku pentozofosforanowego

Biosynteza i metaboliczne przekształcenia glutaminy.

Glutamina jest jednym z aminokwasów najobficiej występujących we krwi (obok alaniny) - transportuje zasymilowany amoniak, grupa aminowa przekazywana jest z aminokwasu na aminokwas w reakcjach transaminacji. Glutamina jest również prekursorem w syntezie glutationu, puryn i pirymidyn.

Biosynteza alaniny i seryny

Synteza alaniny (enzym - aminotransferaza alaninowa - ALAT):

• glutaminian + pirogronian alanina + 2-oksoglutaran

Synteza seryny składa się z 3 etapów i uczestniczą w niej 3 enzymy:

• dehydrogenaza fosfoglicerynowa, aminotransferaza, fosfataza fosfoserynowa

• 3-fosfoglicerynian -> 3-fosfopirogronian -> 3-fosfoseryna ->seryna

Biosynteza asparaginy:

• syntetaza asparaginowa (zależna od glutaminy) - rośliny, zwierzęta

• asparaginian + glutamina +ATP asparagina + glutaminian + AMP+ PP_i

• syntetaza asparaginowa:

• asparaginian + NH₄⁺ + ATP asparagina + ADP + P_i + H⁺

• reakcja typowa dla mikroorganizmów

• asparagina powstaje w dużych ilościach w komórkach wielu roślin, zwłaszcza motylkowych, gromadzony jest w ten sposób zredukowany azot w związkach organicznych

Biosynteza asparaginianu

• enzym aminotransferaza asparaginianowa (AST)

• glutaminian + szczawiooctan asparaginian + 2-oksoglutaran

• kwas asparaginowy syntetyzowany jest głównie w drodze transaminacji

• enzym asparaginaza

• asparagina asparaginian

Rozkład białek - wstęp:

• Białka w procesie trawienia rozkładane są do aminokwasów, których nadmiar nie może być magazynowany w organizmie, mogą być natomiast utleniane w procesie utleniania biologicznego

• Aminokwasy te służą do biosyntezy nowych białek

• Są źródłem N dla innych biocząsteczek

• Proces rozkładu białek jest ściśle regulowany w komórkach - białka przeznaczone do degradacji znaczone są ubikwityną i hydrolizowane przez proteasomy

• Z aminokwasów następnie usuwany jest azot

• Nadmiar azotu u ludzi wydalany jest w postaci mocznika

• Szkielety węglowe aminokwasów białkowych przekształcane są do 7 różnych metabolitów pośrednich, z których mogą być syntetyzowane kwasy tłuszczowe, ciała ketonowe, glukoza i inne biocząsteczki

Degradacja białek naznaczonych ubikwityną:

• Masa cząsteczkowa ubikwityny wynosi 8,5 kDa - pełni funkcje znacznika = „czarnej plamy” = sygnału śmierci, występuje u eukariota, jej sekwencja jest silnie zakonserwowana

• Ubikwityna łączy się poprzez grupę COOH reszty Gly na C-końcu z ε-aminową resztą Lys wchodzącą w skład rozkładanego białka wiązaniem izopeptydowym kosztem hydrolizy ATP

• Obserwuje się różne tempo degradacji białek w komórce - półtrwanie białek może wynosić powyżej 20 godzin i kilka minut. Znaczenie ubikwityną obejmuje także białka nowe z defektem powstałym w procesie translacji

Przyłączenie ubikwityny:

• uczestniczą 3 enzymy:

• Aktywujący ubikwitynę (E1)

• Enzym koniugujący (E2)

• Ligaza ubikwitynowo-białkowa (E3) - rozpoznaje N-końcowy aminokwas znaczonego białka

Częstotliwość przyłączenia ubikwityny zależy od N-aminokwasu np. dla metioniny półtrwanie białek powyżej 20 lat, arginina lub leucyna poniżej 2 minut,

Inne przykłady: hemoglobina, krystalina białka bardzo trwałe, dekarboksylaza ornityny - półtrwanie ok. 11 minut

Zaznaczone ubikwityną białka trawione są przez proteasomy:

• zaznaczone ubikwityną białka są trawione do krótkich peptydów zależnie od ATP w dużych kompleksach (ok. 2000 kD) białkowych nazywanych 26S proteasomami

• sama ubikwityna nigdy nie ulega trawieniu

• trawienie proteasomami odbywa się w jądrze komórkowym i cytoplazmie i odbywa się na 20S proteasomie, Cap 19S (może przyłączyć się z 2 stron do 20S proteasomu) decyduje które białka ulegają trawieniu

• w taki sposób regulowane są m.in.:

translacja

cykl komórkowy

organogeneza

rytmy okołodobowe

supresja nowotworów

odpowiedź zapalna

metabolizm cholesterolu

wytwarzanie antygenów

Rozkład białek cd.:

• białka ulegają rozkładowi pod wpływem peptydaz - endopeptydaz (np. trypsyna, chymotrypsyna, pepsyna, podpuszczka, elastaza, papaina) i egzopeptydaz (karoksypeptydazy, aminopeptydazy) do peptydów i aminokwasów

• enzymy proteolityczne w układzie pokarmowym ulegają aktywacji proteolitycznej oraz wykazują specyficzność hydrolizy wobec aminokwasów występujących w łańcuchu polipeptydowym

• chymotrypsyna - hydrolizuje wiązania wytworzone przez grupy karboksylowe aminokwasów aromatycznych

• trypsyna - grupy karboksylowe L-argininy i L-lizyny,

• pepsyna - aminokwasy aromatyczne lub dikarboksylowe - kwas asparaginowy i kwas glutaminowy

• poza porteazami trawiennymi wyróżniamy proteazy wewnątrzkomórkowe = katepsyny, które zapewniają dynamiczną równowagę między poziomem białek (aktywnością enzymów) i produktami ich hydrolizy w komórkach

Wewnątrzkomórkowe enzymy proteolityczne - katepsyny:

• występują u roślin i zwierząt w lizosomach wątroby, nerek i śledziony

• katepsyna I i II - endopeptydazy, przypominają w działaniu pepsynę i trypsynę

• katepsyna III - aminopeptydaza

• katepsyna IV - karboksypeptydaza

• Jony CN-, grupy -SH np. cysteiny, glutationu, H₂S i zredukowana witamina C aktywują katepsyny, optymalne pH wynosi 4-5

• Katepsyny uczestniczą po uboju w procesie dojrzewania mięsa - powodują częściową hydrolizę białek włókna mięśniowego, rozerwanie wiązań disiarczkowych. W efekcie działania katepsyn rośnie strawność białek, stężenie białek rozpuszczalnych oraz oligopeptydów i aminokwasów w dojrzewającym mięsie

• W przemyśle mięsnym stosowane są preparaty enzymów proteolitycznych do tenderyzacji (kruszenia i zmiękczania) mięsa - papaina, bromelanina, ficyna

• W przemyśle mleczarskim stosowana jest podpuszczka (chymozyna) do ścinania mleka, bez zmiany odczynu, w trakcie dojrzewania serów produkty proteolizy nadają im odpowiedni aromat i smak

Podział peptydaz:

• serynowe - alkaliczne w centrum aktywnym grupa -OH seryny, histydyna jest donorem protonu - trypsyna, chymotrypsyna

• tiolowe - w centrum aktywnym grupa -SH oraz pierścień imidazolowy histydyny, np. papaina, bromelanina, ficyna, różne optimum pH

• metalopeptydazy - aktywność zależy od obecności jonów metali: Zn²⁺, Ca²⁺, Mn²⁺ w centrum aktywnym - karboksypeptydazy A i B

• karboksylowe - kwaśne, aktywność zależy od obecności w centrum aktywnym niezdysocjowanej grupy karboksylowej - pepsyna, bakteryjna subtylizyna

Rozkład aminokwasów:

Degradacja aminokwasów rozpoczyna się od odłączenia grypy α-aminowej, pozostały szkielet węglowy przekształcany jest do jednego z kilku metabolitów i używany jako paliwo energetyczne:

• pirogronian, α-ketoglutaran, bursztynylo-CoA, fumaran, szczawiooctan - aminokwasy glukogenne (może z nich powstać w procesie glukoneogenezy glukoza - większość),

• acetylo-CoA, acetoacetylo-CoA - aminokwasy ketogenne (mogą powstawać z nich ciała ketonowe, produkty rozpadu będącego w nadmiarze acetylo-CoA)

Lys i Leu - aa tylko ketogenne!

Transaminacja - proces, w którym grupa α-aminowa jednego aminokwasu (donor) jest odłączona i przeniesiona na szkielet węglowy kolejnego aminokwasu (akceptor) najczęściej jest nim 2-oksoglutaran (α-ketoglutaran), a powstaje glutaminian.

Transaminacje katalizowane są przez aminotransferazy (transaminazy), enzymy z klasy transferaz, współpracujące z fosforanem pirydoksalu, pochodnej witaminy B₆.

Reakcje te są najczęściej w pełni odwracalne i `anergiczne` - niewymagające i niewytwarzające energii.

Glutaminian + α-ketokwas α-ketoglutaran + α-aminokwas

Oksydoredukcyjne przemiany aminokwasów:

• oksydacyjna deaminacja glutaminianu - glutaminian powstający w reakcjach transaminacji ulega oksydacyjnej deaminacji, w wyniku tej reakcji powstaje amoniak, reakcja katalizowana jest przez dehydrogenazę glutaminianową GDH, a koenzymem jest NAD⁺ - reakcja jest w pełni odwracalna,

• GDH podlega regulacji allosterycznej. Wysokie stężenie ADP i GDP przyspiesza utlenianie aminokwasów i wytwarzanie szkieletów węglowych, które zużywane są jako paliwo metaboliczne w cyklu Krebsa, powodując wytwarzanie ATP i GTP - które z kolei allosterycznie hamują aktywność GDH

• Oksydacja innych aminokwasów przez oksydazy L-aminokwasów, koenzymem jest FMN lub FAD, w tych reakcjach substratem mogą być dowolne L-aminokwasy

Dekarboksylacja aminokwasów - proces rozkładu aminokwasów, w wyniku którego widzialny jest CO₂ i powstają aminy biogenne (histamina, kadaweryna, cysteamina, β-alanina, 4-aminomaślan - GABA), reakcje katalizowane są przez dekarboksylazy aminokwasowe, enzymy z klasy liaz, współpracujące z fosforanem pirydoksalu

Cykl mocznikowy:

• u zwierząt i człowieka przyswojony azot z pokarmem używany jest do biosyntezy aminokwasów i białek, nukleotydów i kwasów nukleinowych, hormonów i innych związków zawierających w swym składzie N

• nadmiar pobranego azotu gromadzi się jako toksyczny NH₃ lub NH₄⁺

• u ssaków azot usuwany jest ze złuszczającym się naskórkiem, z kałem, a przede wszystkim z moczem. Organizmy wodne wydalają amoniak bezpośrednio do wody (najprostszy i energetycznie najkorzystniejszy sposób), ptaki i gady z kolei w postaci kwasu moczowego (proces bardziej energochłonny i bardziej skomplikowany niż synteza mocznika, kwas moczowy nie jest rozpuszczalny w wodzie)

NH₃ powstaje w różnych reakcjach, katalizowanych przez:

• dehydrogenazę glutaminową (reakcja odwracalna)

glutaminian + NAD(P) + H₂O 2-oksoglutaran + NAD(P)H + H⁺ + NH₃

• glutaminazę (reakcja jednokierunkowa)

glutamina glutaminian + NH₃

• dehydratazy (reakcja jednokierunkowa) np. dehydrataza serynowa

seryna pirogronian + NH₃

• oksydazy (reakcja jednokierunkowa) np. oksydaza glicynowa

glicyna glioksalan + NH₃

Reakcja sumaryczna cyklu mocznikowego:

HCO₃^- + NH₄⁺ + 3ATP + asparaginian + H_2­O mocznik + 2ADP + 2P_i + AMP + PP_i + fumaran

Wytwarzanie mocznika jest korzystne z kilku powodów:

• mocznik jest stosunkowo mało toksyczny i dobrze rozpuszczalny w wodzie

• jego synteza powoduje zakwaszenie płynów ustrojowych, a nie ich alkalizację

• wydalanie azotu w postaci amoniaku wymagałoby tworzenie dużych ilości moczu - kilkaset litrów dziennie, co powodowałoby nadmierne odwodnienie organizmu

Wybrane reakcje cyklu mocznikowego:

• aktywacja i kondensacja amoniaku z CO₂ - reakcja katalizowana przez syntetazę karbamoilofosforanową (zachodzi w mitochondrium)

• CO₂ + 2ATP + H₂O + NH₄⁺ karbamoilofosforan + 2ADP + P_i

• Przeniesienie grupy karbamoilowej z karbamoilofosforanu na ornitynę - powstaje cytrulina, reakcja katalizowana przez karbamoilotransferazę ornitynową (zachodzi w mitochondrium):

• ornityna + karbamoilofosforan cytrulina + P_i

• synteza argininobursztynianu - reakcja katalizowana przez syntetazę argininobursztynianową (zachodzi w cytoplazmie)

• cytrulina + asparagininan + ATP argininobursztynian + AMP + PP_i

• rozpad arininobursztynianu - reakcja katalizowana przez liazę argininobursztynianową (zachodzi w cytoplazmie)

• argininobursztynian fumaran + arginina

• powstawanie mocznika i ornityny - reakcja katalizowana przez arginazę (zachodzi w cytoplazmie)

• arginina + H₂O mocznik + ornityna

Jeden z 2 atomów azotu w moczniku pochodzi z amoniaku, a drugi z asparaginianu, atom węgla pochodzi z CO₂.

Zakłócenia w cyklu mocznikowym, powodują gromadzenie się amoniaku we krwi i chorobę zwaną hiperamonemią.

Choroba ta czasem obserwowana u noworodków powoduje zmiany w mózgu, polega ona prawdopodobnie na zwiększonej syntezie glutaminianu i glutaminy (substratem jest NH₄⁺), co wywołuje z jednej strony efekt osmotyczny (obrzęki), a z drugiej strony prowadzi do wyczerpania 2-oksoglutaranu, zaburzając normalny przebieg cyklu Krebsa i wytwarzanie energii, zwłaszcza w mózgu.

Cykl mocznikowy i cykl kwasu cytrynowego są ze sobą powiązane:

Powstający fumaran w cyklu mocznikowym może ulec uwodnieniu do jabłczanu, ten z kolei utleniany jest do szczawiooctanu. Szczawiooctan może ulegać następującym przemianom:

• przekształcenie w asparaginian w reakcji transaminacji

• przekształcenie w glukozę w glukoneogenezie

• kondensacja z acetylo-CoA do cytrynianu

• dekarboksylacja do pirogronianu

Synteza fosforanu kreatyny

fosforan kreatyny - fosfagen, magazynowany w mięśniach, syntetyzowany z metabolitu pośredniego cyklu mocznikowego - argininy

Niektóre wady dziedziczne metabolizmu aminokwasów
Choroba	Niedobór enzymu	Objawy
Cytrulinemia	Syntetaza argininbursztynianu	Letarg, napady padaczkowe, zmniejszenie napięcia mięśniowego
Fenyloketonuria	Hydroksylaza fenyloalaniny	Upośledzenie umysłowe, długość życia do 20-30 lat
albinizm	tyrozynaza	Brak pigmentacji

Fenyloketonuria - choroba związana z zaburzeniami metabolizmu fenyloalaniny, polega na obniżonej aktywności lub całkowitym braku hydroksylazy fenyloalaninowej lub rzadziej tetrahydrobiopteryny

Objawy: gromadzenie się Phe we wszystkich tkankach, poważny niedorozwój umysłowy

Dieta: uboga w Phe,

Aspartam!!

Wykład 14 14 I 09

Mechanizmy biochemiczne detoksykacji substancji szkodliwych w organizmach żywych.

Substancje szkodliwe/zatrucia

• Leki - lekomania, narkomania, doping/dopalacze

• Zatrucia w miejscu pracy

• Skażenie środowiska - powietrze, woda, gleba

• Skażenie żywności

• Naturalne toksyny

• Środki dodawane do żywności

• Toksyny produkowane przez drobnoustroje

• Rolnictwo

• Pestycydy, insektycydy, fungicydy

• Leki i dodatki chemiczne do pasz dla zwierząt

• Gospodarstwo domowe

• Czynniki fizyczne - promieniowanie

Trucizna - substancja organiczna lub nieorganiczna, która po dostaniu się do organizmu powoduje zaburzenia w jego funkcjonowaniu, inne niekorzystne zmiany w organizmie lub śmierć

Może to być ciało stałe, ciecz lub gaz. Trucizny mogą działać gwałtownie lub gromadzić się w organizmie powodując zatrucia przewlekłe.

„Wszystko jest trucizną i nic nie jest trucizną, tylko dawka decyduje, że jakaś substancja nie jest trucizną” [Paracelsus]

Dawki

• Dawka progowa - poniżej nie ma reakcji organizmu na daną toksynę

• LD₅₀ - dawka powodująca śmierć 50% populacji

• Toksyczność - LD₅₀ dla porównań różnych związków chemicznych

Wchłanianie trucizn

• Przenikanie przez skórę - dyfuzja, wnikanie przez kanaliki potowe, wzdłuż torebek włosowych

• Poprzez układ oddechowy

• Z pożywieniem

• Aplikacja celowa - bioterroryzm, kryminalistyka, samobójstwa

Ad.1 - Przenikanie przez skórę

• Substancje polarne wnikają za pośrednictwem białek

• Niepolarne - przez obszary lipidowe

• Substancje dobrzez rozpuszczalne w tłuszczach łatwo przedostają się przez skórę do organizmu

Efektywność przenikania zależy od czasu kontaktu trucizny z powierzchnią skóry

Ad.2 - Wnikanie za pośrednictwem układu oddechowego

Wdychane powietrze z toksynami w nosie, gardle, tchawicy, oskrzelach i pęcherzykach płucnych ma kontakt z układem krwionośnym

Szybkość wnikania toksyn, przy dużych ich stężeniach zależy od szybkości oddychania, przy małych stężeniaach toksyn od szybkości przepływu krwi

Ad.3 - Wnikanie za pośrednictwem układu pokarmowego

Z każdego elementu układu pokarmowego trucizna może przedostać się do krwioobiegu

• Zmienne pH (sok żołądkowy ok.1, jelito cienkie ok. 6-7, płyny komórkowe ok. 7,5) ma wpływ na uprotonowanie grup kwasowo - zasadowych i ewentualne ich przenikanie przez błony

Działanie trucizny na organizm

• Trucizna może być wydalona po zdeaktywowaniu z organizmu

• Trucizna może oddziaływać z biocząsteczkami, powodując ich nieodwracalną inaktywację, np. denaturacja/inaktywacja enzymów - zniesienie działania toksyny polega na syntezie nowej cząsteczki

• Skutki odległe:

• Kancerogenne (rakotwórcze) - powstawanie nowotworów złośliwych

• Mutagenne - zmiany materiału genetycznego

• Teratogenne i embriotoksyczne - szkodzą rozwijającemu się płodowi w pierwszych miesiącach ciąży

Mutageneza

Mutacja - dziedziczna i stała zmiana w sekwencji zasad DNA, powstaje spontanicznie wskutek błędów w replikacji (u bakterii E.coli 1 błąd na 1010 wbudowanych zasad) lub rekombinacji mejotycznej albo w wyniku szkodliwego działania czynników fizycznych lub chemicznych

Mutacja punktowa - zamiana pojedynczej zasady: tranzycja (puryna zastąpiona jest puryną, np. A przez G lub pirymidyna przez pirymidynę (np. C przez T), transwersja (puryna zastąpiona jest przez pirymidynę). Mutacje punktowe nie muszą mieć dużych następstw (mutacje utajone), chyba, że prowadzą do utworzenia kodonu nonsensownego

Mutageny

• Cynniki alkilujące związki, które łatwo wprowadzają grupy alkilowe, np. metylowe, do różnych pozycji kwasów nukleinowych

• metylosulfonian metylu (MMS),

• etylonitrozomocznik (ENU),

• IFO - insektycydy fosforoorganiczne, np. melation, dichlorfos - skutecznie działają, mają krótki okres karencji i nie akumulują się w organizmach żywych - zastąpiły preparaty o budowie chlorowcopochodnej, np. DDT

Alkilacja przeszkadza w rozplataniu dwuniciowego DNA podczas replikacji i transkrypcji powodując często mutacje letalne

• Deaminacja cytozyny

Kwas azotawy - powoduje deaminację cytozyny do uracylu i wywołuje tranzycję G C A T, deaminacja adeniny do hipoksantyny - analogu guaniny - powoduje tranzycję A T G C

Inne czynniki fizyczne i chemiczne powodujące mutacje

• Promieniowanie jonizujące X i γ - powoduje pękanie nici, rozpad zasad i cukrów

• Promieniowanie UV - powoduje tworzenie dimerów pirymidynowych z sąsiadujących ze sobą zasad pirymidynowych

• Reaktywne związki tlenu: ponadtlenki, nadtlenki wodoru, rodnik hydroksylowy (*OH), powodują utlenienie zasad i zmianę ich właściwości

• Analogi zasad - pochodne normalnych zasad, wykazują zmienione właściwości przy tworzeniu par

• Duże związki addycyjne - wiążą się kowalencyjnie z zasadami, powodując lokalną denaturację DNA, np. pochjodna benzo[a]pirenu - diol epoksydowy, aflatoksyna B1

Naprawa DNA

• Wierność replikacji zapewniana jest przez egzonukleazę sprawdzającą 3' 5' związaną z polimerazą DNA, usuwa ona błędnie wstawione nukleotydy

• Alkilotransferaza usuwa grupy alkilowe, przyłączone do zasad - przenoszona grupa alkilowa inaktywuje enzym, przez to 1 enzym katalizuje tylko 1 reakcję naprawy

• Glikozydaza DNA usuwa alkilowane zasady, poprzez ich wycięcie

Fotoreaktywacja

Naprawa DNA uszkodzonego przez działanie UV za pomocą fotoliaz = enzymów fotoreaktywujących, w obecności światła widzialnego - dimery pirymidynowe ulegają monomeryzacji, koenzym: FADH₂

Metabolizm ksenobiotyków

Rozpuszczalne w wodzie są wydalane w pierwotnej postaci

Hydrofobowe usuwane są pod wpływem soków trawiennych lub ulegają metabolizmowi, który ma zmienić ich rozpuszczalność w fazie wodnej

Odbywa się to w 2 fazach

1 faza: utlenienie, redukcja, degradacja

2 faza: sprzężenie prowadzące do usunięcia ksenobiotyku z organizmu

Typy reakcji katalizowanych przez cytochromy P-450 - kluczowy enzym

Cytochrom P-450 - enzym z klasy oksydoreduktaz, ma wiele izoform, katalizuje różne reakcje, biorąc udział w procesach detoksykacyjnych ksenobiotyków (200 tys substratów) u wszystkich organizmów żywych

Lokalizacja: głównie retikulum endocytoplazmatyczne i mitochondria, u człowieka w wątrobie

Donorem elektronów w reakcjach z udziałem cytochromu P-450 jest najczęściej NAD(P)H, reakcje polegają najczęściej na przyłączeniu 1 atomu tlenu do substratu

RH + O₂ + NADPH + H⁺ ROH + H₂O + NADP⁺

Alifatyczne hydroksylowanie

Cykloheksan Cykloheksanol

Aromatyczne hydroksylowanie

Benzen Fenol

Epoksydowanie alkenów

Cykloheksen Tlenek cykloheksenu

N-odalkilowanie

CH₃N(H)CH₃ CH₃NH₂ + HCHO

O-odalkilowanie

C₆H₅OCH₃ C₆H₅OH + HCHO

S-utlenienie

CH₃SCH₃ (CH₃)₂SO

Redukcyjna dehalogenacja

C6H5CH₂Br C₅H₅CH₃

1 faza detoksykacji lipofilowych ksenobiotyków

Wprowadzenie polarnej, reaktywnej grupy funkcyjnej

Epoksydacja

Hydroksylacja

Utlenienie amin

Utlenienie związków siarkoorganicznych

Degradacja

• Hydroliza insektycydów (demeton, imidan)

• Dealkilacja herbicydów

Transformacja grup nitrowych i chlorowcopochodnych

• Chlorowcopochodne - np. chloroform do fosgenu

• Grupy nitrowe do alkoholowych

• Np. nitrobenzen do fenolu

Skutki I fazy detoksykacji ksenobiotyków

Korzystne: wzrost polarności, rozpuszczalności, ułatwienie wydalania

Niekorzystne - pojawienie się w komórkach

• Wolnych rodników

• Substancji silnie elektrofilowych

• Naprężonych pierścieni trójczłonowych

Powoduje to:

• Zmiany w strukturze DNA - mutacje i zakłóca procesy replikacji i transkrypcji

• Zmiany w strukturze RNA - synteza niepożądanych białek, zmiana aktywności enzymatycznych

Reaktywne formy tlenu

• Nadtlenek wodoru: H₂O₂ p-owstaje w reakcjach katalizowanych przez oksydazy (głównie ksantynowa, glukozowa, NADPH)

• Jon ponadtlenkowy: O₂^- - generowany w reakcjach katalizowanych przez oksydazy (głównie reduktaza cytochromu P-450, oksydaza ksantyny, oksydaza NADPH) oraz nieenzymatycznego utleniania Fe²⁺ tlenem cząsteczkowym

• Rodnik hydroksylowy: HO* - powstaje w reakcjach utleniania nadtlenkiem wodoru żelaza (reakcja Fentona) i jonu ponadtlenkowego (reakcja Habera - Weissa)

Zmiany w komórkach pod wpływem reaktywnych form tlenu

• Obniżenie płynności błon komórkowych (peroksydacja lipidów)

• Utrata lub/i zmiana właściwości katalitycznych białek enzymatycznych i destabilizacja białek strukturalnych (utlenienie białek)

• Rozregulowanie lub/i unieczynnienie systemu genetycznego (utlenienie puryn i pirymidyn kwasów nukleinowych, rozerwanie wiązań wodorowych wiążących nici)

Enzymy antyoksydacyjne

1. Dysmutaza ponadtlenkowa (SOD)

Mangan-SOD: mitochondrialna

Miedź/cynk-SOD: cytosolowo-jądrowa

2. Katalaza 2H₂O₂ 2H₂O + O₂

3. Enzymy związane z utlenianiem i redukcją glutationu (Gln-Cys-Gly):

- Peroksydaza glutationu (GSHO_x - metal katalityczny: selen)

- Reduktaza glutationu (GSSGR)

- Dehydrogenaza glukozo 6-fosforanu (G6PDH)

- Dehydrogenaza 6-fosfoglukonianu (6PgaDH)

Nieenzymatyczne antyutleniacze

• Witamina E (α-tokoferol) - przekształca rodniki nadtlenkowe i hydroksylowe oraz nadtlenki lipidów do mniej reaktywnych związków; utleniona forma α-tokoferolu kondensuje z kwasem glukuronowym i wydalana jest z żółcią

• Witamina C (kwas askorbinowy) - reaguje z nadtlenkami i rodnikiem hydroksylowym tworząc rodnik kwasu dehydroaskorbinowego, który po reakcji z GSH przekształca się w anion dehydroaskorbinianowy; witamina C redukuje także Fe³⁺ do Fe²⁺

• Β-karoten - reaguje z rodnikami nadtlenkowymi

• Ceruloplazmina - wiąże jony miedzi

• Albuminy - wiążą miedź i żelazo

• Glutation - akceptor elektronów - tripeptyd występujący w większości tkanej (najwięcej w wątrobie), który „wyłapuje” ksenobiotyki - RX

2 faza - sprzęganie i usuwanie ksenobiotyków

Usuwanie epoksydów

Sprzężenie elektrofilowe

Kwas urydyno-5'difosfo-D-glukuronowy (UDPGA) - jest często substratem w 2 fazie metabolizmu ksenobiotyków - posiadających grupy -OH (ROH)

Po przyłączeniu reszta glukozy zwiększa rozpuszczalność tak zmodyfikowanego ksenobiotyku i ułatwia jego wydalenie z organizmu

BOTULINA (jad kiełbasiany)

• Siedem typów (A-G)

• Dwie podjednostki: ciężka (100 kDa) i lekka (50 kDa)

• Podjednostka lekka = enzym proteolityczny

• Objawy kliniczne zatrucia: upośledzenie wydzielania śliny, porażenie perystaltyki jelit, zaburzenia mowy i połykania, porażenia mięśni oddechowych (zgon w wyniku uduszenia)

Clostridium botulinum

• Rozwija się tylko w warunkach beztlenowych

• Występuje np. w glebie

• Formy przetrwalnikowe obecne np. w miodzie (1 słoik miodu zawiera kilka przetrwalników)

Trucizna?

Jest stosowana w kosmetologii do usuwania zmarszczek mimicznych, powstających w wyniku wzmożonego napięcia lub nawykowego kurczenia niektórych mięśni

• Podczas jednego zabiegu pacjent otrzymuje ponad trzydziestokrotnie mniejsze stężenie niż dawka, która mogłaby zaszkodzić człowiekowi

• Botulina może być użyta przez terrorystów - LD₅₀ = 1ng/kg - na powietrzu szybko ulega degradacji

Metabolizm etanolu i metanolu

Utlenianie etanolu

Człowiek może rozkładać 7-8g etOH/godzinę - 300 ml piwa, 125 ml wina, 25 ml wódki…

Katalaza:

CH₃CH₂OH + H₂O₂ CH₃CHO + 2H₂O

Cytochrom P-450

CH₃CH₂OH + NADPH + H⁺ + O₂ CH₃CHO + 2H₂O + NADP⁺

Rodniki hydroksylowe

CH₃CH₂OH + *OH CH₃CHOH + H₂O

WYKŁAD 15 21.01.2009

Hormony i ich znaczenie dla regulacji metabolizmu. Podsumowanie wykładów

Metabolizm regulowany jest przez kontrolę

• Ilości enzymów

• Tempo syntezy i degradacji - ubikwitynozależnej - zmiana szybkości transkrypcji kodujących genów - np. operon laktozowy

• Ich katalitycznej aktywności

• Odwracalna kontrola allosteryczna (np. ATCaza = transkarbamoilaza asparaginianowa)

• Wieloenzymowe układy (brak reakcji ubocznych, mała odległość między enzymem i substratem - duża szybkość reakcji - prawie V_??? dobra koordynacja przemiany), np. łańcuch oddechowy, syntetaza kwasów tłuszczowych, dehydrogenaza pirogronianowa

• Regulacja poprzez zmianę stężenia substratu

• Hamowanie na zasadzie sprzężenia zwrotnego

• Odwracalna modyfikacja kowalencyjna (fosforylacja) (np. fosforylaza glikogenowa)

• Wtórne cząsteczki sygnalizacyjne

• Hormonalna koordynacja metabolizmu

Heksokinaza (1 reakcja glikolizy): glukoza + ATP Glukozo-6-fosforan + ADP

Regulacja poprzez zmieniające się stężenie substratu i różnice w powinowactwie enzymu do substratu

4 izoenzymy: I-IV

Heksokinaza II - niskie K_m dla glukozy, hamowana przez produkt G6P, duże stężenie G6P hamuje rozkład glukozy, utrzymuje się wysokie stężenie glukozy we krwi

Heksokinaza IV (glukokinaza): wysokie K_m dla glukozy (ok. 50x)

Lokalizacja: wątroba

Niehamowana przez G6P

Wzrost stężenia glukozy powoduje jej fosforylację w wątrobie, powstały G6P jest dalej przekształcany w glikogen i kwasy tłuszczowe

Przy niskich stężeniach glukozy we krwi przeważa glikoliza, przy wysokich synteza substancji zapasowych (?)

Wtórne cząsteczki sygnalizacyjne

• Heterotrimeryczne białka G

• Małe GTPazy

• Cykliczne nukleotydy (cAMP, cGMP)

• Jony wapnia (Ca²⁺)

• Reaktywne formy tlenu (ROS)

• Pochodne fosfoinozytoli: trifosforan inozytolu (IP₃)

• Diacyloglicerol (DAG)

• Różne kinazy i fosfatazy białkowe

1. Ca²⁺ wiąże się z kalmoduliną oraz innymi białkami - zmiany konformacji

2. Kompleksy Ca²⁺ z ufosforylowanymi i glikozylowanymi substratami są często nierozpuszczalne

Białka G

• Białka G aktywują cyklazę adenylanową - uruchamiają syntezę cAMP

• Pełna nazwa białek G to „białka wiążące GTP” (GTP - binding protein), ponieważ w stanie aktywnym wiążą GTP (trifosforan guanozyny)

• Występują dwa rodzaje białek G:

• Heterotrimeryczne białka G (w skład wchodzą trzy podjednostki: α,β i γ)

• Monomeryczne białka G (small G proteins)

• Receptory sprzężoine z białkiem G są sprzężone z heterotrimerycznym białkiem G

cAMP - stymuluje fosforylację wielu białek docelowych w wyniku aktywacji kinazy białkowej A. Stymulacja fosforolizy glikogenu oraz hamowanie jego syntezy

Hormony - wytwarzane przez organizm, niezbędne dla procesów przemiany materii związki, których zadaniem jest koordynowanie procesów chemicznych zachodzących w komórkach

Wytwarzane przez gruczoły dokrewne

• Tylny płat przysadki (synteza w podwzgórzu): oksytocyna, wazopresyna (adiuretyna)

• Przedni płat przysadki: gł. hormony tropowe

• Szyszynka: melatonina

• Tarczyca: tyroksyna (T₄), trijodotyronina (T₃), kalcytonina

• Przytarczyce: parathormon

• Grasica: tymulina, tymozyna i tymostymulina

• Kora nadnerczy: mineralokortykosteroidy, glikokortykoidy, androgeny

• Rdzeń nadnerczy: adrenalina, noradrenalina

• Trzustka: insulina, glukagon, somatostatyna

• Jądra: testosteron

• Jajniki: estrogeny, progesteron

Hormony tkankowe - zazwyczaj działanie miejscowe

• Śluzówka żołądka, dwunastnica i jelito cienkie oraz czcze: sekretyna, cholecystokinina (pankreozymina), gastryna, enterogastron

• Zakończenia nerwów: noradrenalina, acetylocholina

• Płytki krwi: serotonina

• Komórki tuczne (mastocyty): histamina

• Różne tkanki: somatostatyna, bradykinina

• Uwalniane z fosfolipidów: prostaglandyny - pochodne kwasu arachidowego

Działanie hormonów:

• Żaden z poznanych hormonów nie jest enzymem ani koenzymem czy grupą prostetyczną

• Hormony regulują kierunki i tempo procesów już zachodzących

• Substancje dokrewne wpływają na tempo syntezy enzymów i innych białek w komórkach docelowych, np. hormony steroidowe

• Modyfikują aktywność już istniejących enzymów, zmieniają selektywnie przepuszczalność błon komórek docelowych, np. aldosteron

• Hormony peptydowe i pochodne aminokwasów nie wnikają do wnętrza komórki. Łączą się one z receptorami błonowymi komórki. Te ostatnie aktywują cyklazę adenylanową, która przekształca ATP w cAMP

• Transport hormonów odbywa się we krwi. Substancje te są transportowane w postaci związanej z białkami osocza

Wazopresyna - syntetyzowana w tylnym płacie przysadki

• Resorpcja wody w nerkach

• Inaktywacja - wątroba i nerki

• Pobudzanie wydzielania:

• Wzrost ciśnienia osmotycznego osocza

• Zmniejszenie objętości krwi

• Stres, nikotyna

• Zahamowanie wydzielania:

• Wzrost objętości krwi

• Spadek ciśnienia tętniczego

• Alkohol, kofeina

Oksytocyna - syntetyzowana w tylnym płacie przysadki

• Skurcz komórek mioepitellalnych gruczołów mlecznych (laktacja)

• Skurcz macicy (poród, stosunek płciowy)

• Pobudzanie wydzielania

• Drażnienie receptorów sutka, szyjki macicy, pochwy

• Estrogeny

• Zahamowanie wydzielania

• Progesteron

Znaczenie glukozy (~6,4 mM - norma)

Glikogen i tłuszcze (zapasy energii)

Glikoliza, cykl kwasów trójkarboksylowych (energia)

Cykl pentozofosforanowy (energia, nukleotydy)

Insulina - wytwarzana przez b komórki wysp trzustki

• Polipeptyd o masie cząsteczkowej u człowieka 5734 Da. Cząsteczka insuliny jest zbudowana z dwóch łańcuchów, A i B, połączonych ze sobą dwoma mostkami siarczkowymi. Trzeci mostek disiarczkowy, łączy aminokwasy łańcucha A. Łańcuch A liczy 21 reszt aminokwasowych, a łańcuch B 30 reszt aminokwasowych. Cząsteczka insuliny może polimeryzować, stąd jej masę cząsteczkową określa się na 5734 - 48000 Da.

• W łańcuchu A aminokwasem N-końcowym jest glicyna, aminokwasem C-końcowym asparagina; w łańcuchu B analogicznie fenyloalanina oraz treonina. Sekwencja aminokwasów została po raz pierwszy ustalona przez Sangera w 1955 roku i była pierwszym białkiem, dla którego określono sekwencję aminokwasów

Zwiększenie wydzielania insuliny wywołuje wzmożoną syntezę glikogenu w wątrobie i mięśniach, oraz syntezę lipidów z cukrów. Insulina wpływa na biosyntezę białek na poziomie translacji mRNA w mięśniach i sercu. Insulina bierze udział też w transporcie metabolitów (glukozy i aminokwasów) przez błony komórkowe

• Niedobór insuliny powoduje wzrost poziomu glukozy we krwi i wydalania jej z moczem (cukromocz), zmniejszenie zawartości glikogenu w wątrobie i mięśniach, zwiększoną syntezę cukrów z białek, wzmożony rozkład lipidów i powstawanie związków ketonowych

• Wpływ insuliny na proces transkrypcji genu tłumaczy się jej działaniem na zróżnicowanie, wzrost i rozmnażanie komórek

• Insulina świni i bydła była stosowana do leczenia cukrzycy do chwili opracowania metody produkcji insuliny ludzkiej z wykorzystaniem technologii rekombinacji Dna. Różnice w składzie aminokwasów insuliny poszczególnych gatunków zwierząt dochodzi do 29 aminokwasów.

Glukagon - wytwarzany przez komórki a wysp trzustki

• Polipeptyd zbudowany z 29 reszt aminokwasowych. Aminokwasem N-końcowym jest histydyna, a aminokwasem C-końcowym treonina

• Masa cząsteczkowa wynosi 3485 Da.

• Glukagon działa przeciwnie do insuliny. Powoduje szybki wzrost poziomu glukozy we krwi i zmniejsza poziom glikogenu w wątrobie

• Aktywuje enzym rozszczepiający glikogen (fosforylazę glikogenową wątroby). Glukagon pobudza też lipolizę i glukanogenezę (?? A nie glukoneogenezę??). W komórkach tłuszczowych hormon ten aktywuje cyklazę adenylową (cAMP), która w komórkach wątrobowych indukuje enzymy glukoneogenezy

Regulacja stężenia glukozy we krwi

3,7 - 5.0 mM (65-90 mg/dL) - na czczo

9-10 mM (160-180 mg/dL) - po posiłku

Podwzgórze - ośrodek głodu i sytości

Trzustka - insulina, glukagon

Nadnercza: adrenalina i kortyzol

Cukrzyca - podwyższony poziom glukozy spowodowany zaburzeniami w wydzielaniu insuliny, działaniu insuliny lub obiema przyczynami naraz.

Typ I - insulinozależna - około 10% chorych

Typ II - cukrzyca insulinoniezależna - około 90% chorych

Choruje 3-4% (w Polsce 1 milion), wzrasta liczba chorych na typ II

Zaburzenia stężenia glukozy we krwi:

• Hipoglikemia - poniżej 2,5 mM (45 mg/dL) problemy ze skupieniem uwagi, zawroty, drgawki, śpiączka)

• Hiperglikemia/cukrzyca - powyżej stanu normalnego (~6,4 mM - 115 mg/dL) utrata wody, uszkodzenia oczu, nerek, nerwów, serca, naczyń krwionośnych, wzrost glikacji i glikozylacji białek

Prolaktyna - wytwarzana głównie w przysadce mózgowej

• Zapoczątkowuje i podtrzymuje laktację

• Wzmacnia działanie steroidów w jądrach, ale nadmiar prolaktyny hamuje czynność jąder

• Wysokie stężenie prolaktyny hamuje owulację

• Polipeptyd o masie cząsteczkowej około 23 kDa, składa się z 198 aminokwasów

• Pobudzenie wydzielania

• Prolaktoliberyna

• Estrogeny

• (Drażnienie brodawki sutka, ciąża, połóg, stosunek płciowy)

• Zahamowanie wydzielania

• Prolaktostatyna

• Progesteron

T₃ - Trijodotyronina

T₄ - tetrajodotyronina (tyroksyna)

Tyreoglobulina:

• Glikoproteina, „magazyn” T₃ - trijodotyroniny i T₄ - tetrajodotyroniny

• Marker nowotworu tarczycy

• Stanowi zapas jodu na około 3 miesiące dla organizmu (123 reszty tyrozynowe/cząsteczkę)

Działanie T₄ - tyroksyny

• Zwiększenie podstawowej przemiany materii (do 100%) niemal wszystkich tkanek (poza mózgiem i jądrami)

• Wzrost tempa metabolizmu węglowodanów (a więc zużycia tlenu)

• Wzrost tempa metabolizmu lipidów

• Niedobór T₄ podczas dojrzewania - zahamowanie rozwoju umysłowego - kretynizm

Kortyzol

• Naturalny hormon steroidowy wytwarzany przez warstwę pasmowatą kory nadnerczy

• Hormon stresowy

• Stymuluje glukoneogenezę, zwiększa tempo katabolizmu białek, lipolizę

• Blokuje pobieranie glukozy przez komórki

• Zwiększa skurcz mięśni naczyń krwionośnych i serca

• Działa przeciwzapalnie

• Występują dobowe wahania stężenia kortyzolu (szczyt poranny)

Aldosteron

• Hormon sterydowy, wytwarzany przez warstwę kłębkowatą kory nadnerczy

• Reguluje gospodarkę wodno-mineralną ustroju poprzez wzrost wchłaniania Na⁺ i wody przez kanaliki nerkowe

• Wpływa na mineralny skład moczu

• Powoduje wzrosty ciśnienia tętniczego

Estrogeny i progesteron

Estrogeny - hormony sterydowe „żeńskie”, ale ich niedobór u mężczyzn powoduje bezpłodność

Odpowiedzialne za:

• Kształtowanie się narządów płciowych oraz drugorzędowych i trzeciorzędowych (popędu) cech płciowych

• Gospodarkę lipidową - zwiększają poziom „dobrego” cholesterolu HDL, a obniżają poziom „złego” cholesterolu LDL; zwiększają też wydalanie cholesterolu z żółcią

• Gospodarkę wapniową - zwiększają odkładanie wapnia w kościach, zapobiegając osteoporozie

• Zwiększanie przyswajania białek

• Zwiększanie krzepliwości krwi

• Przyrost i zwiększenie pobudliwości mięśni gładkich (macicy i jajowodów)

Progesteron

• Rozrost gruczołów błony śluzowej macicy

• Po zapłodnieniu - przekształcanie błony śluzowej - umożliwiające zagnieżdżenie się komórki jajowej, zapobiega skurczom macicy

Testosteron

• Podstawowy męski steroidowy hormon płciowy należący do androgenów

• Produkowany przez komórki śródmiąższowe Leydiga w jądrach, a także w niewielkich ilościach przez korę nadnerczy, jajniki i łożysko

• Warunkuje powstawanie męskich cech płciowych (wewnętrzne narządy płciowe, spermatogeneza, niski głos) oraz zwiększenie masy mięśniowej, popędu

• Doping w sporcie

Melatonina - pochodna tryptofanu, hormon syntetyzowany w pinealocytach szyszynki, wytwarzanie melatoniny hamowane jest pod wpływem światła

Reguluje molekularne zegary całego organizmu:

• Hamuje wydzielanie gonadotropin, T₃, T₄

• Stymuluje: prolaktyny, sen (częste zmiany stref czasowych)

• Działa bezpośrednio na komórki docelowe: receptory związane z białkami G (obniżenie stężenia cAMP)

• Hamuje aktywność kalmoduliny, pośrednio więc działanie Ca²⁺ i białek kalmodulinozależnych

FITOHORMONY - hormony roślinne

• Związki organiczne o niewielkiej masie cząsteczkowej, które wpływają na odpowiedź fizjologiczną na bodźce środowiskowe, działają w niewielkich stężeniach (zwykle poniżej 10^-7 M). Nie są bezpośrednio zaangażowane w procesy metaboliczne i rozwojowe, ale wpływają na ich przebieg i kierunek

• Hormony roślinne są stosowane na dużą skalę w rolnictwie, ogrodnictwie i biotechnologii, do modyfikowania wzrostu i rozwoju roślin

• Regulują lub integrują wiele procesów komórkowych i fizjologicznych w tym:

• Podział komórkowy

• Wzrost komórek na objętość

• Różnicowanie komórek

• Kwitnienie

• Dojrzewanie owoców

• Ruch (tropizmy)

• Spoczynek nasion

• Kiełkowanie nasion

• Starzenie się

• Opadanie liści

• Przewodzenie szparkowe

Czy termin „hormon” w odniesieniu do substancji roślinnych jest uzasadniony?

Hormony roślinne	Hormony zwierzęce
Tylko małe cząsteczki	Peptydy/białka oraz małe cząsteczki
Produkowane w całej roślinie	Produkowane w wyspecjalizowanych „gruczołach”
Działają głównie na cele lokalne (sąsiadujące komórki i tkanki	Działają głównie na cele odległe
Efekty danego hormonu różnią się w zależności od interakcji z innymi hormonami	Efekty danego hormonu silnie specyficzne
Brak centralnej regulacji	Regulowane przez centralny system nerwowy

Klasyfikacja hormonów roślinnych

Główne klasy hormonów roślinnych

Auksyny

Cytokininy

Gibereliny

Kwas abscysynowy (ABA)

Etylen

Substancje „hormono-podobne” produkowane przez rośliny

Poliaminy

Kwas jasmonowy

Kwas salicylowy

Brassinosteroidy

Florigeny

Fitochrom (fotoreceptor)

Tlenek azotu

Auksyny - IAA

Stymuluje: wydłużanie komórek, podział komórek w kambium i w kombinacji z cytokininami w kulturach tkankowych, zróżnicowanie elemtów naczyniowych, inicjację korzenia na uciętej łodydze, inicjację korzeni w kulturach tkankowych

• Pośredniczy w odpowiedziach tropicznych (zaginanie pędu/korzeni) w odpowiedzi na światło i siłę ciężkości

• Wytwarzana w stożku wzrostu, hamuje pąki boczne

• Opóźnia starzenie liści

• Może hamować lub promować (poprzez stymulację etylenem) opadanie liści i owoców

• Indukuje zawiązywanie i wzrost owocu (u niektórych roślin)

• Opóźnia dojrzewanie owoców

• Stymuluje wzrost organów kwiaty

• Stymuluje wytwarzanie etylenu

Cytokininy

• Stymulują podziały komórkowe

• Stymulują morfogenezę - inicjację pędu/tworzenie pąka w kulturach tkankowych

• Stymulują wzrost pędów bocznych

• Stymulują ekspansję liści wynikającą z powiększania komórek

• U niektórych gatunków wzmagają otwieranie aparatów szparkowych

• Stymulują przekształcenie etioplastów w chloroplasty poprzez stymulacje syntezy chlorofilu

Gibereliny - GA₃

Stymuluje

• Wydłużanie pędu przez stymulację podziałów i wydłużania komórek

• Wypuszczanie pędu kwiatowego i kwitnienie w długim dniu

• Przerywa spoczynek nasion u roślin wymagających stratyfikacji lub światła do indukcji kiełkowania

• Wytwarzanie enzymów (α-amylazy) w kiełkujących ziarnach zbóż w celu mobilizacji rezerw nasienia

• Może opóźniać starzenia w liściach i owocach cytrusów

ABA - kwas abscysynowy

• Stymuluje zamykanie szparek (susza indukuje syntezę ABA)

• Hamuje wzrost pędu, ale nie korzenia (może nawet stymulować wzrost korzenia)

• Indukuje syntezę białek zapasowych w nasionach

• Hamuje efekt giberelin na syntezę de novo α-amylazy

• Wywiera pewien wpływ na indukcję i utrzymywanie spoczynku nasion

• Indukuje transkrypcję genów, w szczególności kodujących inhibitory proteinaz, w odpowidzi na zranienie (to tłumaczy rolę w obronie przed patogenami)

Etylen - wytwarzany z aminokwasu metioniny poprzez cykliczny pośrednik ACC - (kwas 1-aminocyklopropanokarboksylowy)

Stymuluje:

• Wychodzenie ze spoczynku

• Wzrost, różnicowanie pędu i korzenia

• Opadanie liści i owoców

• Otwieranie kwiatów

• Starzenie kwiatów i owoców

• Dojrzewanie owoców

Znaczenie biochemii w naukach o żywieniu człowieka

• Analiza składu chemicznego żywności (węglowodany, aminokwasy i białka, lipidy, witaminy)

• Biochemia trawienia i przyswajania składników pokarmowych

• Wyjaśnianie zachodzących procesów w organizmach żywych, mechanizmów regulujących przemiany anaboliczne i kataboliczne

• Poznanie wpływu substancji chemicznych uwalnianych do środowiska przez działalność człowieka na przemiany zachodzące wewnątrz żywych komórek

• Wyjaśnienie mechanizmów molekularnych mutacji oraz powstawnie chorób metabolicznych

• Wykorzystanie metod inżynierii genetycznej i biotechnologii w hodowli nowych odmian roślin i zwierząt (GMO) z genami warunkującymi wysoką jakość produkowanych surowców żywnościowych

Zagadnienia do egzaminu

• Enzymy, czynniki wpływające na ich aktywność i budowa

• Substancje niezbędne do prawidłowego rozwoju organizmu: witaminy, aa egzogenne, kwasy tłuszczowe NNKT

• Rozkład substancji zapasowych w organizmach

• Sposoby „zdobywania energii przez organizmy - oddychanie, fotosynteza

• Ekspresja genów

• Rola glukozy w metabolizmie - degradacja, synteza

• Choroby związane z zaburzeniami w metabolizmie, niedoborami w diecie

• Ksenobiotyki, dodatki do żywności, możliwe zagrożenia, zalety ich stosowania i sposoby ich wydalania

BIOCHEMIA

Dr Sławomir Orzechowski

Budynek 37 P/139 (wejście E)

Konsultacje: wtorek 9-10, czwartek 13-14

Zaliczenie przedmiotu:

Zaliczenie ćwiczeń (pow 51% pkt możliwych do zdobycia, w innym wypadku kolokwium zaliczeniowe - materiał SKRYPT SGGW)

Pisemny egzamin (dla osób z oceną 4,5 i 5 możliwość egzaminu tylko z materiału, którego nie było na kolokwiach cząstkowych - z kilku ostatnich wykładów - tzw forma „0”)

Zalecana literatura:

1. Biochemia - J.M.Berg, J.L. Tymoczko

2. Krótkie wykłady Biochemia, D. Hames, N.M. Hooper, PWN, 2002 lub późniejsze

3. Naturalne związki organiczne

4. Biotechnologia żywności - red. Wł. Bednarski

5. Chemia żywności 1-3 - red. Z.E. Sikorski, WNT 2007

6. Materiały do ćwiczeń z biochemii, SGGW, 2001 i późniejszy




31

---