Biochemia.doc

AMINOKWASY

Podział chemiczny.

1. Aminokwasy alifatyczne; ich podstawnikiem jest łańcuch węglowodorowy,

- glicyna H-

- alanina CH3-

- walina

- leucyna

- izoleucyna

- prolina.

2. Aminokwasy zawierające grupę hydroksylową; mają podstawioną grupę hydroksylową w miejsce wodoru przyłączonego do pierwszego atomu węgla w podstawniku,

- seryna HOCH2

- treonina CH3- CHOH

3. Aminokwasy zawierające siarkę w podstawniku;
- metionina CH3-S-CH2-CH2

- cysteina HS-CH2

4. Aminokwasy aromatyczne; posiadają w łańcuchu podstawnika pierścienie sześciowęglowe,

- fenyloalanina

- tyrozyna

- tryptofan.

5. Aminokwasy amidowe; ich cząsteczki zawierają zmodyfikowaną grupę karboksylową przez wstawienie za grupę hydroksylową grupy aminowej,

- asparagina H2NCO-CH2

- glutamina H2NCO-CH2-CH2

6. Aminokwasy kwaśne; wykazują odczyn kwaśny, ponieważ mają dodatkową grupę karboksylową.

- kwas asparginowy HOOC-CH2

-kwas glutaminowy HOOC-CH2-CH2

7. Aminokwasy zasadowe; wykazują odczyn zasadowy, ponieważ mają dodatkową grupę aminową.

- lizyna H2N-CH2-CH2-CH2-CH2-

-arginina

- histydyna

Podział biochemiczny.

Aminokwasy glikogenne są to aminokwasy, których metabolizm prowadzi do powstania glukozy (sacharydów); Alanina, Arginina, Aspargina, Kwas asparginowy, Cysteina, Kwas glutaminowy, Glutamina, Glicyna, Histydyna, Prolina, Hydroksyprolina, Metionina, Seryna, Treonina, Walina.

Aminokwasy ketogenne są to aminokwasy, których metabolizm prowadzi do powstania związków ketonowych; Leucyna, Lizyna.

Aminokwasy gliko- i ketogenne; Izoleucyna, Fenyloalanina, Tryptofan, Tyrozyna.

Podział żywieniowy.

Aminokwasy egzogenne są to aminokwasy, które nie są syntezowane w organizmie ludzkim, a ich obecność w białkach spożywanych decyduje o wartości odżywczej; Metionina, Leucyna , Izoleucyna, Histydyna, Fenyloalanina, Teroina, Tryptofen, Walina.

Aminokwasy endogenne są to aminokwasy, które są syntezowane w organizmie ludzkim; Alanina, Glicyna, Aspargina, Glutamina, Seryna, Cysteina, Prolina, Hydroksyprolina, Arginina , Tyrozyna.

Właściwości kwasowo-zasadowe.

Punkt izoelektryczny (pI) - takie pH środowiska, przy którym cząsteczka aminokwasu w danych warunkach jest obojętna. W punkcie izoelektrycznym cząsteczka nie ma wędrowania w polu elektrycznym. Punkt izoelektryczny ulega zmianie, bo zależy od środowiska. W roztworze o pH większym od punktu izoelektrycznego cząsteczka występuje w postaci anionu, a poniżej pI - w formie kationu. W punkcie izoelektrycznym jest najsłabiej rozpuszczalna, czyli najłatwiej ją strącić.

Punkt izojonowy - taka wartość pH, przy której liczba protonów związanych z grupami -NH2 jest równa liczbie protonów odszczepionych przez grupy -COOH. W tym punkcie przeciętny ładunek jest równy zeru. Punkt ten ma wartość stałą i charakterystyczną dla danego aminokwasu lub białka.

PEPTYDY

Wiązanie peptydowe.

To wiązanie chemiczne (zwane też wiązaniem amidowym) łączące grupę α-aminową jednego aminokwasu z grupą α-karboksylową drugiego aminokwasu. Występuje ono w dwóch formach rezonansowych: cis i trans.

Wiązanie jonowe.

Inaczej elektrowalencyjne, heteropolarne lub biegunowe; jest to rodzaj wiązania chemicznego. Istotą jest elektrostatyczne oddziaływanie między jonami o różnoimiennych ładunkach. Wiązanie to powstaje między atomami o dużej różnicy elektroujemności. Największy udział tego rodzaju wiązania można zaobserwować w związkach litowców z fluorowcami.

Wiązanie estrowe.

Stabilizuje strukturę III-rzędowa białek.

Wiązanie wodorowe.

Rodzaj stosunkowo słabego wiązania chemicznego polegającego głównie na przyciąganiu elektrostatycznym między atomem wodoru i atomem elektroujemnym zawierającym wolne pary elektronowe. Klasyczne wiązanie wodorowe powstaje, gdy atom wodoru jest połączony wiązaniem kowalencyjnym z innym atomem o dużej elektroujemności i w ten sposób uzyskuje nadmiar ładunku dodatniego.

Oddziaływania elektrostatyczne i hydrofobowe.

Oddziaływania hydrofobowe; są to oddziaływania odpowiedzialne za minimalizowanie powierzchni kontaktu niepolarnych cząsteczek z otaczającą je wodą. Można je łatwo zaobserwować w przypadku cząsteczek amfipatycznych, takie jak lipidy i detergenty. Oddziaływania te są istotne przy tworzeniu struktury białka i utrzymania ich stabilności.

Siły elektrostatyczne; są to oddziaływania pomiędzy dwoma grupami jonowymi o przeciwstawnym ładunku. Tego typu oddziaływanie zachodzi między grupą aminową lizyny i grupą karboksylową asparaginy. Do tego typu oddziaływań zalicza się też niekowalencyjne połączenia pomiędzy elektrycznie obojętnymi cząsteczkami określane terminem oddziaływania Van der Walsa. Polegają one na oddziaływaniach elektrostatycznych między trwałymi lub indukowanymi dipolami grup karbonylowych w wiązaniach peptydowych.

BIAŁKA

Podział na proste i złożone.

Białka proste zbudowane są wyłącznie z aminokwasów. Dzielimy je na następujące grupy:

- protaminy; charakter silnie zasadowy, charakteryzują sie dużą zawartością argininy oraz brak aminokwasów zawierających siarkę, są dobrze rozpuszczalne w wodzie. Najbardziej znanymi protaminami są: klupeina, salmina, cyprynina, ezocyna, gallina.

- histony; charakter zasadowy; są dobrze rozpuszczalne w wodzie, a także w środowisku słabo kwaśnym. Są składnikami jąder kom, a także występują w czerwonych ciałkach krwi. W ich skład wchodzi duża ilość takich aminokwasów jak lizyna i argenina.

- albuminy; białka obojętne, spełniają szereg ważnych funkcji biologicznych: są one enzymami, hormonami. Są dobrze rozpuszczalne w wodzie i rozcieńczonych roztworach soli. Łatwo ulegają koagulacji. Znajdują się w tkance mięśniowej, osoczu krwi i mleku.

- globuliny; są źle rozpuszczalne w wodzie, dobrze w rozcieńczonych roztworach soli; posiadają podobne właściwości do nich. Występują w dużych ilościach w płynach ustrojowych i tkance mięśniowej.

- prolaminy; białka roślinne, występują w nasionach. Charakterystyczną właściwością jest zdolność rozpuszczania się w 70% etanolu.

- gluteliny; typowe białka roślinne; posiadają zdolność rozpuszczania się w rozcieńczonych kwasach i zasadach.

- skleroliny; nie rozpuszczalne wodzie i rozcieńczonych roztworach soli; typowe białka o budowie włóknistej, dzięki temu pełnią funkcję podporowe; do tej grupy białek należy kreatyna.

Białka złożone posiadają obok aminokwasów, także części niebiałkowe. Ze względu na charakter grupy prostetycznej dzielimy je na;

- nukleoproteidy; białka połączone z kwasami nukleinowymi; występują w wirusach;

- fosfoproteidy; białka połączone z resztami kwasu fosforowego; posiadają charakter kwaśny, oraz zazwyczaj są połączone z jakimiś kationami. Należy do tej grupy kazeina.

- chromoproteidy; białka połączone z barwnikami;barwniki: hemowy, flawanowy, melaminowy;

- metaloproteidy; białka połączone z jednym lub kilkoma kationami metali; metale: Fe, Cu, Co, Mo oraz Zn.

- glikoproteidy; białka połączone z cukrami. Stanowią składnik płynów ustrojowych oraz tkanek i komórek.

- lipoproteidy; białka połączone z tłuszczami obojętnymi lub fosfolipidami i cholesterolem.

Podział ze względu na rozpuszczalność.

Białka hydrofilowe mają duże powinowactwo do wody. Dipole wody skupiają się wokół powierzchni białka tworząc tzw. płaszcz wodny. Białka te są dobrze rozpuszczalne w rozpuszczalnikach polarnych przy różnych wartościach pH, a także w pI. Przykładem jest albumina osocza krwi lub białko jaja kurzego.

Białka hydrofobowe nie posiadają powinowactwa do rozpuszczalników polarnych ze względu, że ich powierzchnia jest utworzona jest z aminokwasów apolarnych. Białka te rozpuszczają się tylko jako kationy albo aniony, czyli są zdysocjowane i posiadają na swej powierzchni ładunki. Rozpuszczają się, więc w roztworach kwaśnych lub zasadowych w pH innym niż pI np. kazeina mleka.

Struktura I, II, II i IV rzędowa.

- struktura I-rzędowa cząsteczki białka to sekwencja aminokwasów tej cząsteczki, czyli kolejność aminokwasów połączonych wiązaniami peptydowymi w cząsteczkę białka.

- struktura II-rzędowa są to lokalne struktury powstające w wyniku tworzenia się wiązań wodorowych pomiędzy tlenem grupy >C=O, a wodorem grupy -NH, dwóch niezbyt odległych od siebie w łańcuchu wiązań peptydowych. Do struktur drugorzędowych zalicza się: helisę - gł. helisę alfa, beta nici (struktura beta-fałdowa) tworzące "pofałdowane kartki" (ang. β sheet), beta zakręt (pętle omega).

- struktura III-rzędowa - Wzajemne położenie elementów struktury drugorzędowej stabilizowane przez oddziaływania reszt aminokwasowych oraz tworzenie mostków dwusiarczkowych -S-S-, powstających pomiędzy dwiema resztami cysteiny, dwoma resztami metioniny lub też jeden metioniny drugi zaś cysteiny w łańcuchu.

- struktura IV-rzędowa - przestrzenna budowa białka zbudowanego z kilku łańcuchów polipeptydowych oraz zawierająca struktury niebiałkowe: glikoproteiny- zawierają cukier, lipoproteiny- zawierają lipidy, nukleoproteiny- zawierają kwas nukleinowy, chromoproteiny-zawierają barwnik np. hemoglobina może przybierać czwartorzędową budowę białka, gdyż poza kilkoma łańcuchami polipeptydowymi posiada jeszcze barwnik – hem, fosfoproteidy- zawierają resztę kwasu fosforowego.

Koagulacja.

To proces polegający na łączeniu się cząstek fazy rozproszonej koloidu w większe agregaty tworzące fazę ciągłą o nieregularnej strukturze. W wyniku koagulacji może następować zjawisko żelowania, tworzenia się past i materiałów stałych, sedymentacji lub pokrywania powierzchni mieszaniny warstwą fazy rozproszonej.

Denaturacja.

To zmiany w III- i IV-rzędowej strukturze białka natywnego, które prowadzą do utraty aktywności biologicznej lub innej indywidualnej cechy charakterystycznej przy zachowaniu jego struktury pierwszorzędowej. Podczas denaturacji niszczone są wiązania wodorowe, a w obecności odczynników redukujących zerwaniu ulegają wiązania disulfidowe. Denaturacja może być procesem odwracalnym (renaturacja) i nieodwracalnym.

Wysalanie.

To tzw. wypadanie białek z roztworu. Polega na uszkodzeniu otoczki solwatacyjnej inaczej agregacji cząsteczek białek, która jest możliwa dzięki temu, że między polarne grupy w strukturze białka, wprowadzamy bardzo dobrze zdysocjowane i zhydratowane jony soli nieorganicznych. Ważne jest, by dodawana sól, była solą metalu lekkiego (wyjątek KCl!). Proces ten nie narusza struktury IV, III, II ani tym bardziej I białka, więc jest odwracalny (koagulacja).

Ważne białka krwi, mięśni, skóry i mleka.

ENZYMY

Budowa enzymu.

Enzymy – rodzaj białek występujących naturalnie w organizmach żywych, których działanie sprowadza się do katalizowania reakcji biochemicznych. Katalizowanie reakcji przez białkowe katalizatory polega na przyspieszeniu szybkości zajścia. Enzymy stanowią największą grupę tzw. biokatalizatorów.

Większość enzymów należy do białek złożonych. Takie enzymy składają się z części białkowej, zwanej apoenzymem, i części niebiałkowej, czyli koenzymu (grupa prostetyczna). Cały enzym, który powstaje w wyniku połączenia apoenzymu z koenzymem, nosi nazwę holoenzymu.

Specyficzność działania enzymu.

Działanie enzymów charakteryzuje się specyficznością - katalizuje tylko określony substrat lub określony typ reakcji chemicznej.

Specyficzność funkcjonalna; jest ona spowodowana naturą koenzymu i aminokwasów w centrum katalitycznym enzymu, tak jak w oksydoreduktazach, hydrolazach itp.

Specyficzność substratowa; jest ona determinowana przez naturę i położenie przestrzenne aminokwasów w miejscu wiążącym centrum aktywne enzymu. Specyficzność substratowa może być wąska (większość dehydrogenaz) lub szeroka (większość hydrolaz). Np. chymotrypsyna – do hydrolizy substratu przez chymotrypsynę muszą być spełnione 2 warunki: 1.końcowa reszta hydrofobowa substratu musi połączyć się z miejscem wiążącym centrum aktywnego enzymu, 2. substrat musi posiadać wiązania peptydowe typu CO-x (specyficzność funkcjonalna/0, które chymotrypsyna jest zdolna hydrolizować (X – fenyloalanina).

Model wiązania substratu do enzymu.

- Model "klucza i zamka" - zarówno enzym jak i jego substraty są do siebie geometrycznie dopasowane w taki sposób, że idealnie pasują jeden do drugiego. Enzym łączy się z substratem tworząc nietrwały kompleks enzym-substrat. Model ten tłumaczy specyficzność enzymu względem substratu, jednak nie wyjaśnia w jaki sposób stabilizowany jest stan przejściowy,

- Model indukowanego dopasowania - W 1958 roku Daniel Koshland zmodyfikował model "klucza i zamka". Enzymy są strukturami giętkimi, w związku z czym możliwa jest modyfikacja kształtu enzymu w wyniku interakcji z substratem. Łańcuchy boczne aminokwasów tworzące miejsce aktywne enzymu mogą przemieszczać się w jego obrębie dopasowując się do kształtu specyficznego substratu. W przeciwieństwie do modelu "klucza i zamka", ten model wyjaśnia specyficzność enzymów oraz sposób stabilizacji stanu przejściowego.

Koenzymy i ich witaminowe prekursory, kofaktory i grupy prostetyczne.

Kofaktory - niebiałkowe, dodatkowe składniki enzymów. Można je podzielić na dwie szerokie grupy. Pierwszą z nich stanowią grupy prostetyczne, czyli kofaktory silnie - zwykle są to cząsteczki nieorganiczne i jony metali, ale także małe cząsteczki organiczne. Z kolei koenzymy to małe, niebiałkowe cząsteczki organiczne, wiążące się z enzymami tylko na czas reakcji, i przenoszące grupy chemiczne pomiędzy poszczególnymi reakcjami.

Regulacja działania enzymów.

AAàEa: synteza enzymu Ea z aminokwasów znajdujących się w środowisku AA. A początkowy substrat, B, C metabolity pośrednie, X produkt końcowy szlaku metabolicznego.

Typ1; x hamuje syntezę jednego lub kilku enzymów łańcucha metabolicznego. Ten rodzaj regulacji jest powolny i nieprecyzyjny ale ekonomiczny.

Typ2; X hamuje aktywność enzymy Ea bezpośrednio bez przeszkadzania w jego syntezie. Ten rodzaj regulacji jest szybki i dobrze zharmonizowany, ale jest mniej ekonomiczny, jest to regulacja allosteryczna.

Typ3; konwersja kowalencyjna. Przykład fosforylacja fosforylazy (zachodzi w metabolizmie glikogenu). –hormony mogą działać na szlak metaboliczny, bezpośrednio i pośrednio za pomocą jednego z powyższych mechanizmów, -regulacja może być przeprowadzana przez aktywacje enzymatycznej aktywności za pomocą mechanizmu typu 1 (indukcja) lub 2 (dodatnie sprzężenie zwrotne lub pro aktywacja). Efektorem jest A lub jeden z pierwszych metabolitów łańcucha.

- hamowanie kompetycyjne (współzawodnicze); określa sytuację, w której dwa rodzaje cząsteczek (substrat i inhibitor) współzawodniczą o jedno centrum aktywne; znoszone jest przez zwiększenie stężenia substratu; ten typ inhibicji wykorzystywany jest w przypadku leczenia ludzi zatrutych metanolem.

- hamowanie niekompetycyjne (niewspółzawodnicze); takie, w którym centrum aktywne enzymu blokowane jest częściowo przez substancję niepodobną do substratu; pomimo tego substrat może być wiązany, ale reakcja ulega zahamowaniu; przykładem inhibiotorów niekompetycyjnych są jony metali ciężkich (miedzi, rtęci).

- regulacja allosteryczna; polega na odwracalnej zmianie kinetyki reakcji enzymatycznej pod wpływem związku (ligandu), który może przyłączać się do enzymu w miejscu innym niż substrat, nazwanym centrum allosterycznym; ligand taki powoduje zmiany konformacyjne enzymu podlegającego regulacji, która może polegać na inhibicji lub indukcji.

Izoenzymy, proenzymy.

Izoenzymy - enzymy katalizujące tę samą reakcję ale różniące się odmienną strukturą . Izoenzymy występują u tego samego osobnika w różnych narządach.

Proenzymy - enzymy w naturalnej, nieaktywnej postaci, które w wyniku działania rozmaitych czynników przechodzą w postać aktywną. Proces aktywacji polega na hydrolitycznym rozerwaniu wiązań peptydowych fragmentu łańcucha peptydowego (proteoliza).

Międzynarodowa klasyfikacja enzymów.

• Klasa 1: oksydoreduktazy - przenoszą ładunki z cząsteczki substratu na cząsteczkę akceptora: AH2 + B → A + BH2; dehydrogenaza alkoholowa
• Klasa 2: transferazy - przenoszą daną grupę funkcyjną z cząsteczki jednej substancji na cząsteczkę innej substancji: AB + C → A + BC; heksokinaza
• Klasa 3: hydrolazy - powodują rozpad substratu pod wpływem wody (hydroliza); do grupy tej należy wiele enzymów trawiennych: AB + H2O → A + B; trypsyna
• Klasa 4: liazy - powodują rozpad substratu bez hydrolizy: AB → A + B; dekarboksylaza pirogronianowa
• Klasa 5: izomerazy - zmieniają wzajemne położenie grup chemicznych bez rozkładu szkieletu związku: AB → BA; izomeraza maleinianowa
• Klasa 6: ligazy - powodują syntezę różnych cząsteczek; powstają wiązania chemiczne: A + B → AB; karboksylaza pirogronianowa.

SZLAKI METABOLICZNE

Katabolizm, anabolizm.

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

Katabolizm to reakcje chemiczne podczas których następuje obniżanie poziomu energetycznego substratów w wyniku ich rozkładu na związki proste, oraz wydzielana jest energia. Uwolniona energia wyzwala się podczas rozrywania wiązań wysokoenergetycznych substratów.

Glikoliza.

Glikoliza - jest szlakiem reakcji biochemicznych prowadzących do rozpadu cząsteczki glukozy na dwie cząsteczki kwasu pirogronowego...