WYKLAD 1
Biochemia=bios-życie+chemia
Nauka badająca skład chemiczny organizmów żywych oraz zachodzące w nich procesy metaboliczne(anaboliczne i kataboliczne) oraz regulacje tych przemian, utrzymujące homeostazę ustrojową zarówno w dojrzałych organizmach, jak i podczas całego rozwoju embrionalnego.
Prawa biochemii:
1.Na przemiany biochemiczne. Składają się wszystkie reakcje zachodzące w żywych układach
2 Żywym układem jest zarówno komórka jak i cały organizm
3. Każdy układ żywy jest utworzony przez zespół niemal identycznych elementów składowych –cząsteczek organicznych i nieorganicznych
4.Układy żywe podlegają prawom chemii i fizyki
5. Reakcje biochemiczne są katalizowane przez enzymy
6. Enzymy to białka katalityczne
6.1 Rybozymy są RNA katalitycznymi
7.Słońce-podstawowe źródło energii dla życia na Ziemi
8.Procesy biochemiczne są kontynuowane z uwolnieniem energii
9.ATP jest wspólną walutą energii, wymienialną we wszystkich formach życia
10.W metabolizmie tlen organiczny
11.Siła protonomotoryczna dostarcza energii do syntezy ATP w:
a)oksydacyjnej fosforylacji u tlenowców
b)fosforylacji fotosyntetycznej u org. fotosyntetyzujących
12.Hydroliza ATP dostarcza energii dla utrzymania gradientów. Gradienty jonowe dostarczają energii dla transportu metabolitów
13. NADH jest nośnikiem H2 (protonów i elektronów) w większości procesów katabolicznych NADPH jest nośnikiem wodoru lub reduktorem w większości procesów anabolicznych
14.Aktywne monomery są prekursorami dla reakcji kondensacji i polimeryzacji
15.Reakcje kondensacji i polimeryzacji generują pirofosforany nieorganiczne, których następcza hydroliza katalizowana przez pirofosfatazy służy podtrzymaniu kierunków tych reakcji biochemicznych aż do ich zakończenia-dlatego powstaje ATP z 2 wysokoenergetycznymi wiązaniami
16.Struktura 1-rzędowa białek rządzi 2- i 3-rzędową
17.Biocząsteczki, które oddziałują interaktywnie ze sobą mają uzupełniającą się strukturę(teoria zamka i klucza)
18. Enzymy mogą być regulowane przez czynniki niekowalencyjne lub allosteryczne oraz przez modyfikacje kowalencyjne np. fosforylacja
19. Regulacje metabolizmu i cząsteczki o aktywności regulacyjnej (np. efektory allosteryczne) postępują szablonowo w sensie fizjologicznym i stanowią molekularną logikę komórki
20. Różne formy życia nieustannie ewoluują do nieznacznie różniących się form, barziej skutecznie zaadaptowanych do rozmnażania
21.DNA-cząsteczka dziedziczności
22.U niektórych wirusów RNA cząst. Dziedziczności
23.DNA-antyrównoległa, podwójna helisa ze sparowanymi zasadami
24.Biosynteza DNA-semikonserwatywna
25.Przepływ informacji we wszystkich podstawowych schematach żywych org. jest z DNA do RNA, z RNA na białko (z pokolenia na pokolenie)
26.U niektórych wirusów z RNA do DNA
27.Kod genetyczny trójkowy i odczyt z mRNA 5’do 3’
28.Kod genetyczny jest uniwersalny
29.Komplementarne parowanie zasad nukleotydów jest antyrównoległe
30.Reakcje wydłużania kw. nukleinowych zachodzą zawsze w kierunku 5’-3’
31.Reakcje wydłużania aminokwasów w syntezie białka zachodzi zawsze od końca aminowego do karboksylowego
32.Geny eukariota są nieciągłe (przerywane)
33.Sekwencje intronowe w RNA są usuwane w reakcji składania eksonów (splicing)
HORMONY-biologicznie czynne, aktywne przekaźniki chemiczne uczestniczące w sygnalizacji miedzykomórkowej
· regulują metabolizm, wzrost, reprodukcję
·wytwarzane i wydzielane przez: -gruczoły wewnątrzwydzielnicze (hormony klasyczne)
-komórki neurosekrecyjne (neurohormony)
-wyspecjalizowane komórki obecne w tkankach
niegruczołowych
Klasyczne gruczoły (endokrynne) są uwalniane do układu krążenia dzięki czemu docieraja do poszczególnych komórek w organizmie. Hormon po dotarciu do powierzchni komórki staje się informacją- sygnałem . może być odebrany, przetworzony, po czym komórka inicjuje kaskady reakcji enzymatycznych:
wiązanie ligandaà aktywacja receptora à transdukcja sygnału à aktywacja efektoraà osłabienie sygnału
dwa pierwsze etapy różnią się dla rozpuszczalnych i nierozpuszczalnych w wodzie hormonów
Szlak wewnątrzkomórkowy podąża podobnie w większości komórek i często korzysta z tych samych kaskad enzymatycznych bez względu na typ cząsteczki sygnałowej
Rodzaje przekazywania hormonów przez komórki:
·autokrynia- działa na tę samą komórkę przez którą jest wydzielany
·parakrynia- działa na komórkę leżącą w pobliżu
·endokrynia- działa na komórkę oddaloną od siebie
·justykrynia- adhezja komórek
Kanały jonowe są otwierane po związaniu liganda np. neuroprzekaźnika lub hormonu.
Transdukcja sygnału hormonalnego i efekt biologiczny wymagają:
1. Aktywacji receptora
2. Białka G- wykazują aktywność GTPazową, znaczenie w pośrednictwie między efektorem a receptorem
3. Efektora
4. Wtórnych przekaźników (aktywacja kinaz- uczestniczą w fosforylacji)
5. Specyficznych kinaz białkowych
6. Fosforylacji- defosforylacji
7. Odpowiedzi komórkowej
Białka G są przełącznikami cząsteczek efektorowych
Są trimerami (podjednostki α –zawiera GDP, β γ ) po kilku sekundach podjednostka α inaktywuje się- wymienia GTP na GDP i łączy się z kompleksem βγ. Białko G dysocjuje. Dopóki ligand jest w receptorze cykl może się powtarzać.
Występują 2 grupy cyklaz: jedna do aktywacji wymaga kalmoduliny (białka wiążącego wapń), druga nie.
Współdziałanie podobnych enzymów z receptorem inhibitorowym (wiążącym np. adrenalinę, somatostatynę, prostaglandyny) białka G prowadzi do zahamowania cyklazy adenylowej i spadku stężenia cAMP
Hormon pobudzający- adrenalina( receptorβ)
Hormon hamujący- adrenalina (receptor α2)
Cząsteczki informatorów 2 rzędu (wtórne przekaźniki) wszystkie poza Ca są wytwarzane przez efektory. Wzmacniają sygnał inicjowany przez aktywację receptora hormonem, są zwykle aktywne przez krótki czas, są inaktywowane przez swoiste mechanizmy. Wtórne przekaźniki odgrywają rolę w sygnalizacji i wymianie informacji Są to: cAMP, cGMP, 1,4,5-trifosforan, diacyloglicerol-DAG, jony wapnia
cAMP
-wtórny przekaźnik w szlaku sygnalizacji komórkowej
-stężenie cAMP w komórce szybko wzrasta w regulacji pozytywnej a maleje w regulacji negatywnej
-powstaje z ATP (udział cyklazy adenylowej błony komórkowej) a rozkładany jest przez aktywną fosfodiestrazę
Rola cAMP:
-regulacyjna
-katalityczna
-aktywuje fosfotransferazy
Toksyna cholery- kowalencyjna modyfikacja białka Gs (hamuje powrót białka G w stan nieaktywny)
Toksyna krztuśca- kowalencyjna modyfikacja białka Gi
Gs- stymulacja cyklazy adenylanowej
Gi- hamowanie cyklazy adenylanowej
-Powstają z prekursorowej cząsteczki i fosfatydyloinozytolu
-Przekształcane w wyniku oddziaływań hormonów z receptorami do PIP i PIP2
-Hydroliza PIP2 przez fosfolipazę C dostarcza DAG i IP3
-DAG pozostaje w błonie i aktywuje kinazę białkową C
-IP3 rozpuszcza się w wodzie, przechodzi do cytoplazmy, wiąże się z receptorem RI w błonie ER, aktywuje uwalnianie Ca2+ do cytoplazmy, wapń aktywuje receptory RR, które po aktywacji powodują dalsze uwalnianie Ca2+ z siateczki –narastająca fala wapniowa- wygasa gdy zapasy Ca wyczerpią się
Wtórny przekaźnik, aktywator kinaz dzięki bezpośredniemu wiązaniu ze swoistymi miejscami w kinazach, a wiążąc się z wyspecjalizowanymi białkami np. kalmoduliną reguluje aktywność kinazy
Stężenie Ca w cytoplazmie jest na niskim poziomie(10 –7mol/l)
Przykład szlaku sygnalizacyjnego Ca w komórkach nerwowych gdzie depolaryzacja błony powoduje napływ Ca2+ do kolbki presynaptycznej inicjuje wydzielanie neurotransmiterów do szczeliny synaptycznej
W komórce szlak sygnalizacji Ca pojawia się dzięki sygnałowi generowanemu na powierzchni komórki
Kompleks hormon- receptor nie oddziałuje bezpośrednio na efektor- cyklazę adenylanową, cGMP
Białka G bezpośrednio kontrolują aktywność efektorów. Składają się z 3 podjednostek αβγ i GDP- brak hormonu w receptorze. Podjednostka Gs-GDP nie jest zdolna do aktywacji cyklazy
αGs-GTP ma aktywność GTPazową, hydrolizuje GTP do GDP – powrót do formy nieaktywnej
Hormony działajace przez kinazy tyrozynowe – np. insulina. O wrażliwości komórki na insulinę decyduje obecność receptorów na jej powierzchni (liczba receptorów jest obniżona i funkcja upośledzona w cukrzycy typu 3- odporna na insulinę) Receptor insuliny- tetramer-2α2β
Podjednostki α- od strony zewn. błony komórkowej, tworzą miejsce wiązania insuliny
Podjednostki β- są zależną od insuliny kinazą tyrozynową
GLUT4- nośnik glukozy do wnętrza komórki, zależny od insuliny w tkance tłuszczowej i mięśniowej
GLUT1-3- niezależne od insuliny, rezydują w błonie komórkowej innych tkanek na stałe
METABOLIZM- przemiana materii, suma wszystkich reakcji chemicznych zachodzących w komórkach organizmu
KATABOLIZM- grupa procesów i ciągów reakcji prowadzących do rozpadu- dostarczają energię
ANABOLIZM- szlaki metaboliczne prowadzące do syntezy większych cząstek z mniejszych- pochłaniają energię
Strategia metabolizmu sprowadza się do:
· Syntezy ATP i wytwarzania potencjału redukcyjnego (NADPH+H+)
· Syntezy elementów budulcowych do różnego rodzaju biosyntez
ATP nie jest trwały, ma bogate energetycznie wiązania bezwodnikowe, uwalnia energię- ok.27kJ
Fosfokreatyna- wyższy zapas łatwo dostępnej energii, rozpada się na kreatynę (zostaje uwolniony pirofosforan)
Reakcje kataboliczne:
białka wielocukry tłuszcze
aminokwasy cukry proste kw. tłuszcz., glicerol
NH3 glukoza CO2
H2O
produkty zbędne
W reakcjach katabolicznych zachodzi degeneracja żywności i biochemiczna produkcja energii
Ostatecznymi produktami katabolizmu są: CO2, H2O, ATP
ATP – uniwersalnym nośnikiem energii o wysokim potencjale przenoszenia fosforanów, co jest wykorzystane jako źródło energii podczas skurczu mięśni, aktywnym transporcie, wzmacnianiu sygnałów, biosyntezach
Hydroliza ATP powoduje wzrost stosunku stężenia produktów do substratów ok. 100mln razy, reakcje termodynamicznie niekorzystne ulegają przekształceniu w korzystne
ATP wytwarza w utlenianiu glukozę, kw. tłuszcz. i aminokwasy w wyniku fosforylacji wymagającej O2
Fosforylacja substratowa też dostarcza energię (nawet w warunkach beztlenowych). Intermediatem jest acetylo-CoA
Jednostka acetylowa ulega utlenieniu do CO2 w cyklu Crebsa i tworzy się równoważnik redukcyjny NADH2 i FADH2
CYKL CREBSA
Odpowiada za 2/3 całkowitego utleniania związków węgla
CO2 otrzymany z grupy acetylowej i atomów O2 pochodzacych z H2O jest wydalany jako produkt zbędny NADH+H+ i FADH2 przekazują protony i elektrony na łańcuch oddechowy
Energia zmagazynowana w wysokoenergetycznych elektronach NADH+H+ i FADH2 wykorzystywana jest do syntezy ATP z ADP podczas fosforylacji oksydacyjnej, która może funkcjonować tylko w warunkach tlenowych
Istotą cyklu Crebsa jest dostarczenie równoważników transportujących wysokoenergetyczne elektrony na tlen, powstaje 1cz GTP oraz ATP. Służy generowaniu ATP dzięki dostarczaniu NADH+H+ i FADH2, dostarcza intermediatów do biosyntez
Lokalizacja cyklu Crebsa -matrix mitochondrialne, łańcuch oddechowy- wewn. błona mitohondrium
Do wnętrza mitochondrium musi być dostarczony tlen- ostatni akceptor elektronów
ŁAŃCUCH ODDECHOWY
Przenośnikiem jest NADH, zachodzi zmiana energii swobodnej, potencjał redoks substancji jest miarą jej powinowactwa do elektronów. Różnica potencjałów wynosi 1140mV. W normalnych warunkach transport elektronów z NADH+H+ do O2 jest bardzo korzystny G= -109kJ/mol
Występują 4 kompleksy enzymatyczne:
1. dehydrogenaza NADH FMN Fe-S ubichinon
2. bursztynian [ FAD Fe-S ] ubichinon
dehydrogenaza bursztynianowa
3. koenzym Q cytochrom c / reduktaza UQ-cyt c1
4. oksydaza cytochromowa
1,3,4- są pompami protonowymi
2- nie jest
Transport elektronów powoduje powstanie gradientu protonowego. Całkowity gadient składa się z dużej siły wynikającej z potencjału błonowego, mniejszej siły wynikającej z gradientu stężenia H+. Obie siły tworzą całkowitą siłę protonomotoryczną –wywiera presję na powrót H+. Wykorzystanie gradientu protonowego do syntezy ATP umożliwia syntaza w błonie. Enzym tworzy hydrofilową drogę w poprzek wewn. błony, pozwala na przepływ protonów- są one użyte do niekorzystnej reakcji między ADP i Pi dostarczając ATP
Transportowi 2 elektronów do łańcucha oddechowego przez NADH2 towarzyszy powstanie 3cz. ATP, a przez FADH2 2cz. Syntaza ATP może syntetyzować ATP wykorzystując gradient H+ i pompować protony wbrew gradientowi elektrochemicznemu. Kierunek działania zależy od wielkości elektrochem. gradientu protonowego. Regulacja szybkości fosforylacji oksydacyjnej przez poziom ADP nazywa się kontrolą oddechową.
Wydajność przekształcania energii utleniania w wysokoenergetyczne wiązania ATP jest rzędu 40%. Wydajne wykorzystanie energii swobodnej oddychania jest możliwe tylko w małych porcjach, dlatego w skład szlaków utleniania wchodzi tyle intermediatów
Bilans: 3NADH+H+ 3*3=9ATP
1FADH2 1*1=2ATP
1GTP 1ATP
=10ATP
Inhibitory transportu elektronów:
· rotenon, amytal, amobarbital - hamują transport w kompleksie 1 uniemożliwiając wykorzystanie NADH+H+ jako substratu
· karboksyna – uniemożliwia wykorzystanie FADH2 z dehydrogenazy bursztynianowej
· antymycyna A – hamuje przepływ w oksydazie cytochromowej
*cyjanek i azydek – reagują z formą żelazową hemu a3
*tlenek węgla – reaguje z formą żelazawą hemu a3
Rozprzęgacze fosforylacji oksydacyjnej to rozpuszczalne w lipidach substancje, przenoszą protony na druga stronę błony mitochondrialnej np.2,4-dinitrofenol (DNP) W ich obecności
elektrony są transportowane lecz brak syntezy ATP- siła elektromotoryczna uległa rozproszeniu
· oligomycyna – hamuje przejście protonów przez syntazę ATP do matrix mitochondrialnej
Rozprzęganie fosforylacji oksydacyjnej może być zjawiskiem biologicznie korzystnym. Służy jako źródło ciepła do utrzymania stałej temperatury u zwierząt hibernujących, u ssaków przystosowanych do niskich temperatur. Tkanka tłuszczowa brunatna jest bogata w mitchondria z termogeninami – białkami rozprzęgającymi.
METABOLIZM WĘGLOWODANÓW - PRZEMIANY ODPOWIADAJĄCE ZA GENEROWANIE ENERGII W ATP
Glukozo-1-fosforan szlak pentozowy
Glikoliza 6-fosfopirogronian
Glikogen
pirogronian
Fruktozo-6-fosforan
Pirigronian
W warunkach beztlenowych w mięśniach powstaje mleczan i alanina. W wątrobie mleczan przekształcany jest w cukier w procesie glukoneogenezy
Fosforoliza glikogenu:
Pi
Glikogen glukozo-1-fosforan + glikogen
fosforylaza
glikogenowa
mutaza- przekształca glukozo-1-fosforan w glukozo-6-fosforan, produktem przejściowym jest glukozo-1,6-bisfosforan
Glikogen jest polisacharydem rozwidlonym
Na hydrolizę łańcucha działają:
· fosforylaza ( uwolnionych 8 cząsteczek glukozo-1-fosforanu)
· transferaza (przenosi 3 reszty z miejsca rozwidlenia)
· α-1,6-glukozydaza (uwolniona 1 cząsteczka glukozy)
Glikoliza –tor przemian katabolicznych monosacharydów
W OUN w warunkach tlenowych powstaje: CO2 + H2O
W mięśniach szkieletowych w warunkach beztlenowych powstaje mleczan
w warunkach tlenowych powstaje: CO2 + H2O
W erytrocytach w warunkach beztlenowych powstaje mleczan
glikoliza 2ATP
1cz glukozy fruktozo-1,6-bisfosforan 2cz aldehydu 3-fosfoglicerynowego
zainwestowana energia rozszczepienie 6-węglowego cukru do 2cz 3-węglowego
później odzyskana
2cz pirogronianu
faza uzyskiwania energii
2 NADH
4 ATP
fosforylacja substratowa zachodzi gdy nie ma fosforylacji oksydacyjnej, bo nie ma tlenu
Glikoliza zachodzi w cytoplazmie
Podczas aktywacji glukozy – strata energii
W wątrobie – glukokinaza (ma dużą wartość Km)
W mięśniach – heksokinaza (mała wartość Km)
W warunkach beztlenowych brak możliwości regeneracji NAD, dlatego zachodzi utlenianie pirogronianu, powstaje mleczan i etanol
Wynik netto glikolizy: 2cz ATP i 2cz NADH(w warunkach beztlenowych)
W warunkach beztlenowych:
Pirogronian mleczan
NADH+H+ NAD+
dehydrogenaza
mleczanowa
glukoza
2ADP 2NAD+ NAD+
glikoliza
2ATP 2NADH+H+
2cz pirogronianu regeneracja
Produkcja mleczanu jest ślepym zaułkiem metabolizmu. Dalsze losy mogą zajść po jego przekształceniu w pirogronian. Powód: regeneracja NAD+. Komórki tworzące mleczan przekazują część obciążenia metabolizmu na wątrobę.
Cykl Corich – przekształcenie mleczanu w glukozę w wątrobie
Wątroba Mięśnie
Glukoza glukoza
6-P K 2-P glikoliza
glukoneo- R
geneza Pirogronian E pirogronian
W
Mleczan mleczan
Glikoliza w erytrocytach to krótkie obejście głównego szlaku. Wytwarzany jest intermediat – 2,3-bisfosfoglicerynian
Oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu do acetylo-CoA:
Glukoza
Pirogronian
Kompleks dehydrogenazy pirogronianowej
Acetylo-CoA
CO2 lipidy
Porównanie regeneracji cytoplazmatycznych NAD w różnych tkankach:
· beztlenowa glikoliza w pracujących mięśniach i erytrocytach
NADH+H+ pirogronian
NAD mleczan
· mostek glicerolo fosforanowy (glikoliza tlenowa w mięśniach i mózgu)
· mostek jabłczanowo-asparaginianowy (glikoliza tlenowa w wątrobie i sercu)
Bilans energetyczny całkowitego spalania glukozy do CO2 i H2O:
w mięśniach szkieletowych = 36ATP
w sercu = 38ATP
Fosfofruktokinaza – enzym kluczowy w kontroli glikolizy
Efekt Pasteura – inhibicja (ok.7x) glikolizy przez oddychanie tlenowe, wynika głównie z inhibicji fosfofruktokinazy przez cytrynian, ATP, H+
Silnym allosterycznym aktywatorem fosfofruktokinazy wątrobowej jest fruktozo-2,6-bisfosforan, działa przez zwiększenie powinowactwa enzymu do fruktozo-6-fosforanu i osłabienie hamującego efektu ATP
Alternatywne drogi katabolizmu glukozy – szlak pentozofosforanowy w tk. tłuszczowych , erytrocytach, korze nadnerczy, gruczołach mlecznych. Produkty: NADPH+H+ (do biosyntezy kwasów tłuszczowych i sterydów, utrzymuje glutation w stanie zredukowanym oraz regularność błon komórkowych) i rybozo-5-fosforan (składnik RNA, DNA, FAD, ATP, koenzymu acetylo-CoA). Jest też szlakiem przemian pentoz do fruktozo-6-fosforanu i aldyhydu 3-fosfoglicerynowego
Translokaza i transadenolaza odpowiadają zaz wiązanie cyklu fosfopentozowego z glikoliząy
Glukoneogeneza – synteza glukozy z prekursorów niecukrowych. Zachodzi w wątrobie oraz warstwie korowej nerek (1/10 produkcji watrobowej)
Glukoza jest podstawowym materiałem energetycznym mózgu (dzienne zapotrzebowanie 120g), ważnym materiałem energetycznym erytrocytów, zawartość w płynie ustrojowym ok. 20g, ilość łatwo dostępnej glukozy z glikogenu ok. 190g, zapasy glukozy pokrywają zapotrzebowanie na 1 dzień dlatego organizm wytwarza glukozę z niewęglowodorowych prekursorów.
Nie jest odwrotnością glikolizy
Prekursory niecukrowe glukozy: mleczan, aminokwasy (alanina), glicerol – jako pirogronian, szczawiooctan, fosfodihydroksyaceton
Enzymy glukoneogenezy są zlokalizowane w cytoplazmie z wyjątkiem karboksylazy pirogronianowej obecnej w mitochondriach i glukozo-6-fosfatazy związanej z wewn. stroną błony ER
Enzymy glikolizy: heksokinaza, fosfofruktokinaza, kinaza pirogronianowa
Enzymy glukoneogenezy: glukozo-6-fosfataza, fruktozo-1,6-bisfosforan, karboksykinaza fosfoenolopirogronianowa, karboksylaza pirogronianowa
Pirogronian szczawiooctan – fosfoenolopirogronian
(reakcja nieodwracalna)
Karboksylaza pirogronianowa – grupą prostetyczną jest biotyna. Biotyna ulega karboksylacji gdy acetylo-CoA wiąże się z enzymem. Acetylo-CoA jest aktywatorem allosterycznym karboksylazy pirogronianowej
1 etap – z ATP do atomu N-1 biotyny – enzymu – przyłączany jest CO2 i powstaje karboksybiotyna
2 etap – grupa karboksylowa przekazana na pirogronian
duże stężenie acetylo-CoA to sygnał że są potrzebne większe ilości szczawiooctanu. Gdy jest dużo ATP szczawiooctan zużywany jest w glukoneogenezie, gdy brak ATP szczawiooctan łączy się z acetylo-CoA i wchodzi w cykl Crebsa
Glukoza powstaje w ostatnim etapie glukoneogenezy w świetle ER:
...
Aguuul6