Biochemia
Wykład 1, 11. Października
Andrzej Sokołowski
Słowa kluczowe – chemia życia, związki organiczne, węgiel, węglowodory, węglowodany, kwasy tłuszczowe nasycone i nienasycone, białka
Biochemia pozwala zrozumieć podstawowy poziom organizacji życia żywego organizmu – poziom chemiczny.
Biochemia = chemia życia
Biochemia = chemia związków organicznych: Chemia dużych (przeważnie), złożonych cząsteczek, niezbędnych do podtrzymywania życia
Biochemia = chemia węgla, ponieważ w związkach organicznych występuje szkielet utworzony z atomów węgla, połączonych wiązaniami kowalencyjnymi
Obecnie znanych jest ok. 5 mln związków organicznych. Zdecydowana większość związków organicznych występuje w organizmach żywych.
Te związki organiczne, które nie występują w organizmach żywych, często z tych organizmów pochodzą, np. ropa naftowa.
Wszystkie związki organiczne obecne w naturze można dziś zsyntetyzować.
Węgiel
Tworzy duże, złożone cząsteczki niezbędne dla życia. Atom węgla – 6 elektronów (dwa na pierwszym poziomie energetycznym, cztery na drugim).
Dwa atomy węgla mogą mieć dwie wspólne pary elektronów – utworzenie wiązań podwójnych (wyjątkowo potrójnych). Atom węgla może także tworzyć cztery wiązania (kowalencyjne). Geometrię tych wiązań obrazuje czworościan foremny (orbitale elektronowe zewnętrznej powłoki atomu węgla wydłużają się i zajmują położenie między atomami węgla a czterema wierzchołkami czworościanu. Wierzchołki te wyznaczaj a kierunek każdego z wiązań a kąt miedzy dwoma dowolnymi wiązaniami = 109, 5 stopnia. W takim ułożeniu odległość między połączeniami z węglem są największe, a kąt 109, 5 jest taki sam we wszystkich związkach organicznych. Cząsteczki węgla mają strukturę trójwymiarową (geometria czworościanu). Przestrzenny kształt cząsteczki określa jej biologiczne właściwości i funkcje (nie istnieje identyczna funkcja biologiczna dla cząsteczek o różnej formie przestrzennej).
Węgiel – kluczowa pozycja w związkach organicznych (dzięki jego wyjątkowej reaktywności). Węgiel może tworzyć wiązania chemiczne z większą liczbą pierwiastków niż jakikolwiek inny atom. Najczęściej połączone z węglem – tlen, wodór, azot.
Węgiel = ponad 50% suchej masy każdego organizmu
Związki organiczne
Węglowodory – związki org. Utworzone wyłącznie z atomów węgla i wodoru. Organizmy wykorzystują szkielet węglowodorowy do budowy ważnych związków chemicznych. Szkielet ten nie reaguje bezpośrednio z innymi związkami, odbywa się to przez tzw. grupy funkcyjne – podstawniki na miejsce wodoru. Dopiero grupy funkcyjne posiadają zdolność do tworzenia wiązań z innymi cząsteczkami.
Związki org. Należące do poszczególnych grup charakteryzuje występowanie w ich cząsteczkach jednej lub kilku specyficznych grup funkcyjnych:
Wodorotlenowa: R – OH
Aminowa: R-NH2
Karboksylowa: R- COOH
Karbonylowa: R – C - R
II
O
Metylowa: R – CH3
Fosforanowa: R – H2PO4
Estrowa: R – C –O
Sulhydrylowa R-SH (ważna grupa, stabilizuje wewnętrzną budową białek)
Aminokwasy – przykład związku org. który ma więcej niż jedną grupę funkcyjną (grupa aminowa + grupa karboksylowa, powodująca nadanie cząsteczce właściwości słabego kwasu, co pozwala na dysocjację jonu H+). Niektóre aminokwasy mają dodatkowe grupy funkcyjne, co nadaje im dodatkowe właściwości.)
Węglowodory – zw. Org. –połączenie atomów węgla, wodoru i tlenu w stosunku 1C: 2H: 1O2. Jest to „paliwo komórkowe” magazyn energii oraz składnik innych związków np. kwasy nukleinowe i glikoproteiny.
Węglowodany dzielą się na monosacharydy (glukoza, fruktoza), disacharydy (maltoza, sacharoza) i polisacharydy (glikogen, skrobia, celuloza).
Lipidy (tłuszczowce) – zw. org. zawierające mniej tlenu w stos. Do węgla i wodoru niż węglowodany. Również paliwo komórkowe oraz izolacja termiczna jako tkanka dla całego organizmu. Lipidy dzielimy na:
Kwasy nukleinowe – złożone związki zbudowane z pentozy (monosacharyd) tworzące łańcuch z naprzemiennie włączonymi grupami fosforanowymi, do których przyłączone są zasady azotowe.
Kwasami nukleinowymi są:
DNA – zawiera cukier – dezoksyrybozę i zasady: guanina, cytozyna, adenina i tymina.
RNA – zawiera cukier – rybozę i zasady: guanina, cytozyna, adenina i uracyl.
Każda podjednostka kw. nukleinowego (nukleotyd) zawiera pentozę, zasadę azotową i resztę fosforanową.
Funkcje kwasów nukleinowych: przechowywanie informacji genetycznej, przekazywanie informacji genetycznej, ekspresja informacji genetycznej.
Białka – połączone atomy węgla, wodoru, tlenu i siarki. Są tworzone przez aminokwasy. Łańcuchy aminokwasów to polipeptydy. Łańcuchy te są zwinięte lub pofałdowane i w charakterystyczne formy przestrzenne. Jednostki aminokwasowe są połączone wiązaniami węglowo – azotowymi C-N. Białka służą organizmowi jako: enzymy, hemoglobina, fibrynogen, elementy strukturalne krwi, białko mięśni, regulatory procesów odpornościowych (immunoglobuliny).
Białka odgrywają kluczową rolę w świecie istot żywych. Zestaw białek występujących w komórce stanowi klucz do jej funkcji. Zestaw ten decyduje o morfologii i fizjologii komórki. Białka wykazują także specyficzność gatunkową. Tę specyfikę determinują geny. Niektóre białka wykazują specyficzność osobniczą. Pozbawione jej są tylko organizmy identyczne genetycznie (bliźnięta jednojajowe).
Wykład 2, 18. Października
Przetwarzanie materii, przepływ energii, anabolizm, katabolizm
Procesy życiowe polegają na przetwarzaniu materii i odbywają się w pojedynczych komórkach organizmu. Cel przetwarzania materii – produkcja substancji niezbędnych do utrzymania komórek przy życiu (a w konsekwencji także tkanek i całego organizmu). Utrzymanie komórek przy życiu sprowadza się do wzrostu, odpowiedzi na bodźce, rozmnażania się.
Anabolizm – synteza ważnych i złożonych cząsteczek organicznych z prostszych elementów.
Katabolizm – procesy polegające na rozszczepieniu dużych cząsteczek na mniejsze
Anabolizm + katabolizm = metabolizm komórkowy (wymaga energii)
Komórki organizmu muszą nieustannie otrzymywać energię ze środowiska. Jest to tzw. „energia swobodna”, która istnieje w świecie żywym w żywych organizmach (np. przepływ energii w łańcuchu pokarmowym).
Źródłem energii dla komórek (w procesach biochemicznych) są cząsteczki organicznych substancji pokarmowych. Cząsteczki te są rozkładane najpierw w fizjologicznych procesach trawienia pokarmu a następnie w biochem. procesach katabolizmu komórkowego.
Jedną z głównych organicznych substancji pokarmowych w świecie zwierzęcym i jednocześnie źródłem energii swobodnej dla komórek organizmu jest glukoza.
W katabolizmie glukozy jej cząsteczka nie jest rozkładana od razu, lecz w serii następujących po sobie rekcji tak, aby uwolnienie energii zgromadzonej w wiązaniach chemicznych następowało stopniowo i w sposób kontrolowany. W tym miejscu łączy się ze soną anabolizm i katabolizm.
Ponieważ wiele reakcji anabolicznych wymaga dopływu energii to część tej energii uzyskiwana np. z rozkładu glukozy jest przetwarzana w inne paliwo energetyczne, związek organiczny pod nazwą adenozynotrójfosforan, którego wysokoenergetyczne wiązania uwalniają przy rozpadzie swojej cząsteczki energię potrzebną do anabolicznych procesów budowania złożonych cząsteczek organicznych. Adenozynotrójfosforan (lub adenozynotrifosforan) – w skrócie ATP.
Komórki ludzkiego organizmu wykorzystują w swoim szlaku katabolicznym szlak tlenowy, ponieważ żyją w otoczeniu bogatym w tlen. Jednak komórki organizmów żyjących w glebie lub w wodzie, gdzie dopływ tlenu jest nikły, wytworzyły inne, mniej wydajne szlaki kataboliczne – szlaki beztlenowe. Procesy te inaczej nazywane są oddychaniem tlenowym i beztlenowym.
Podczas oddychania tlenowego cząsteczki substancji pokarmowych są katalizowane do dwutlenku węgla i wody.
Jednym z najpoważniejszych szlaków oddychania tlenowego jest rozkład glukozy. Daje się to zobrazować przy pomocy równania chemicznego:
C6 H12 O6 + 6O2 à 6 CO2 + 12 H2O + energia (ATP)
(Komórki nie potrafią rozkladć glukozy do dwutlenku węgla i wody w czasie jednej reakcji. Całkowity katabolizm glukozy polega na dlugim ciągu reakcji enzymatycznych).
W oddychaniu beztlenowym wykorzystywane są związki organiczne np. azotany (NO3-) lub siarczany (SO4 2-). Końcowymi produktami oddychania beztlenowego są związki nieorganiczne i energia:
C6 H12 O6 + 12 KNO3 à 6 CO2 + 6 H2O + 12 KNO3 + energia (ATP)
Pewne bakterie i grzyby, żyjące w warunkach beztlenowych, wykorzystują trzeci szlak metaboliczny, tzw. fermentację. Końcowymi produktami fermentacji są zw. Organiczne i energia.
W razie niedoboru tlenu, komórki mięśniowe człowiek mogą okresowo wykorzystywać pewien rodzaj fermentacji:
C6 H 12 O6 à 2 CO2 + 2 C2H5OH + energia (ATP)
Dla niektórych organizmów beztlenowych tlen jest trucizną. Drożdże i niektóre bakterie są w tym zakresie „elastyczne” i mogą przestawiać się z oddychania tlenowego na beztlenowe i fermentację jeśli tlenu jest zbyt mało.
Oddychanie tlenowe
Jest to wielostopniowy proces oksydacyjno – redukcyjny. To droga przekazywania atomu wodoru lub jego elektronu z jednego związku na drugi. Oksydacja (utlenianie) jest utratą elektronów przez substancję. Redukcja to nabywanie elektronów przez substancję. Elektrony uwolnione poprzez utlenianie nie mogą przebywać w stanie wolnym w żadnej żywej komórce, dlatego każdej reakcji utleniania towarzyszy reakcja redukcji, w której inna substancja lub atom przyjmują elektrony.
Cząsteczka uwalniająca elektrony (cząsteczka utleniana) traci energię, natomiast cząsteczka przyjmująca elektrony (cząsteczka redukowana) otrzymuje energię.
Reakcje oksydacyjno – redukcyjne są podstawowym elementem oddychania komórkowego oraz innych reakcji zachodzących w komórce.
Cztery etapy tlenowego oddychania komórkowego:
Glikoliza:
Szęściowęglowa cząsteczka glukozy (C6H12O6) jest przekształcana w dwie trój węglowe cząsteczki pirogronianu oraz zostają utworzone ATP i NADH.
NADH – zredukowana forma dwunukleotydu nikotyno – amido – adeninowego (NAD+). Jest to pośrednik mający zdolność czasowego magazynowania dużej ilości energii swobodnej w skomplikowanych etapowych reakcjach przechodzenia tej energii podczas utleniania komórkowego, we wspomnianych procesach oksydacyjno – redukcyjnych transportowania elektronu. Odbywa się to przy pomocy związków zwanych koenzymami (jednym z nich jest NAD+), a po zredukowaniu, czyli połączeniu z wodorem powstaje NADH - forma elektrycznie obojętna.
Energia przejściowo zmagazynowana w NADH może zostać ponownie użyta lub przekazana na ATP.
Koenzymy, czyli akceptory wodoru lub elektronów, pośredniczą w przekazywaniu energii. Poza NAD istnieją tez inne, np. FAD (dwunukleotyd flawinoadeninowy) oraz cytochromy.
Akceptory elektronów tworzą mechanizm dzięki któremu komórki maksymalnie skutecznie wykorzystują energię zgromadzoną w cząsteczkach paliwa czyli glukozy.
Każda reakcja w procesie glikolizy jest katalizowana przez swoisty enzym. Zyskiem energetycznym tych reakcji jest utworzenie dwóch cząstek ATP. Ten pierwszy etap oddychania komórkowego nie wymaga tlenu i może przebiegać zarówno w warunkach tlenowych, jak i beztlenowych.
Glikoliza dzieli się na etapy:
Fosforylacja – przyłączenie fosforanu do cząsteczki glukozy
Utlenienie powstałej w fosforylacji cząsteczki nowego związku – aldehydu 3 – fosfoglicerynowego (PGAL) i utworzenie pirogronianu. W tej reakcji zostaje uwolniona tak duża ilość energii, że pozwala ona na syntezę czterech cząstek ATP.
Wytworzone w procesie glikolizy cząsteczki pirogronianu przechodzą do mitochondrium, gdzie ulegają przekształceniu w acetylokoenzym A (acetylo – CoA). Pirogronian w tym ciągu reakcji ulega dekarboksylacji oksydacyjnej, w której najpierw usuwana jest grupa karboksylowa pod postacią dwutlenku węgla dyfundującego z komórki, a potem jest utleniany pozostaly dwuwęglowy fragment (grupa acetylowa), przyłączona następnie do koenzymu A, wytwarzanego w komórce z kwasu pantotenowego czyli jednej z witamin grupy B.
Reakcja dekarboksylacji ojksydacyjnej pirogronianu jest katalizowana przez wieloenzymowy kompleks i w efekcie otrzymujemy 4 cząsteczki akceptora energii NADH.
W następnym etapie oddychania komórkowego – cyklu kwasu cytrynowego - z octanu acetylo – CoA i szczawiooctanu powstaje 6 węglowa cząsteczka cytrynianu. Z cytrynianu jest ponownie odtwarzany szczawiooctan, w wyniku czego tworzy się CO2, ATP oraz zredukowane i wysokoenergetyczne związki NADH i FADH. Cykl ten jest inaczej zwany cyklem kwasów trikarboksylowych (TCA) lub cyklem Krebsa (od nazwiska sir Hansa Krebsa, który w latach 30 stych XX wieku opracował główne tezy tego cyklu). Cykl ten przebiega w mitochondriach. Składa się z 8 etapów. Każda reakcja katalizowana jest przez specyficzne enzymy.
Szczwiooctan + acetylo-CoAà cytrynian + CoA
Cytrynian podlega następnie licznym przekształceniom, traci najpierw jedną a potem druga grupę karboksylową.
Większość energii tworzonej w kolejnych etapach utleniania, przekazywana jest w postaci wysokoenergetycznych elektronów na NAD+, co prowadzi do powstania NADH.
Każda grupa acetylowa włączona do cyklu kw. Cytrynowego powoduje redukcję 3 cząsteczek NAD+ do NADH. W jednej z reakcji elektrony są przekazywane na inny niż NAD+ akceptor. tj. na FAD+.
W czasie jednego obrotu cyklu kw. Cytrynowego uwalniane są dwie duże cząsteczki węgla i 8 atomów wodoru, czyli 8 protonów i 8 elektronów oraz tworzą się 3 cząsteczki NADH i jedna FADH.
W reakcjach tych ważną rolę spełnia woda, z której rozpadu pochodzi część atomów wodoru, otrzymywanych w tym procesie.
Po dwóch obrotach cyklu Krebsa wyjściowa cząsteczka glukozy traci wszystkie atomy węgla. Energia swobodna magazynuje się w jednej cząsteczce ATP.
Pozostałe cząsteczki ATP powstają w wyniku czwartego etapu oddychania komórkowego – systemu transportu elektronów i chemiosmozy.
System transportu elektronów jest Łańcuchem akceptorów elektronów i odbywa się w głębi wewnętrznej błony mitochondriów. Atomy wodoru przechodzą z NADH na inny akceptor – mononukleotyd flawinowy (FMN), który jest pierwszym akceptorem w tym łańcuchu.
Atomy wodoru lub ich elektrony, przechodząc przez łańcuch transportu elektronów, podlegają Reakcjom oksydacyjno – redukcyjnym. Łańcuch ten składa się z FMN oraz grupy pokrewnych białek – cytochromów. Cząsteczki cytochromów mają zdolność przyłączania tylko elektronów pochodzących z wodoru, a nie całych atomów wodoru. Elektrony przechodząc z jednego cytochromu na drugi, tracą część energii. Na końcu łańcucha znajduje się cytochrom a3, który przekazuje 2 elektrony na cząsteczkę tlenu. Jednocześnie elektrony łączą się z protonami, tworząc wodór, który łączy się z tlenem i powstaje woda. Końcowym akceptorem wodoru jest tu tlen. (I to jest odpowiedź na pytania dlaczego organizmy potrzebują tlenu do oddychania komórkowego).
W miarę przemieszczania się elektronów na kolejne akceptory, uwalnia się wystarczająca ilość energii do przeniesienia protonów przez błonę mitochondrium i ostatecznie do syntezy ATP. Udowodniono, że przepływ dwóch elektronów z każdej cząsteczki NADH na tlen powoduje powstanie trzech cząsteczek ATP.
W jaki sposób synteza ATP jest związana z transportem elektronów, wytłumaczył Peter Mitchell w 1961 r (nagroda Nobla w 1978). Zaproponował on model chemioosmotyczny, sprowadzający się w efekcie do przepompowywania protonów przez wewnętrzną błonę mitochondrium do przestrzeni między wewnętrzną a zewnętrzną błonę poprzez tzw. Kanały syntezy ATP. W efekcie tych procesów oddychania tlenowego powstaje ze spalania cząsteczek glukozy od 36 do 38 cząsteczek ATP.
Cdn. J
Timon_The_Humster