Biochemia wykłady

Wprowadzenie

Biochemia – chemia biologiczna, fizjologiczna, zajmuje się budową i funkcją związków dostarczanych i wytwarzanych w organizmie, przemianami tych związków w ustroju i wpływem różnych czynników na te przemiany oraz ewolucją i odtwarzaniem żywej materii (będą wiec również molekularne podstawy życia).

·         Nauka o chemicznych podstawach życia

·         Analityczne podejście do składu żywych komórek, zrozumienie reakcji i procesów którym one ulegają

·         Odnalezienie i charakterystykę zależności między procesami na poziomie molekularnym.

Podział:

Ø      Biochemia statystyczna: dane o składzie jakościowym, ilościowym żywej materii, o wielkocząsteczkowych związkach organicznych i drobnocząsteczkowych związkach organicznych i nieorganicznych.

Ø      Biochemia dynamiczna: przemiany, jakimi te związki podlegają w organizmie (przemiana materii), dzieli się na:

o       Enzymologia

o       Genetyka molekularna

o       Farmakologia

o       Biochemia kliniczna:

§         Fizjologia

§         Toksykologia

§         Farmakologia

§         Onkologia

Biochemia ogólna: statystyczna, dynamiczna, kliniczna, farmakologiczna, toksykologiczna.

Witalizm: koncepcja przyrodnicza (XVII/XVIII w.) stwierdzająca, że związki organiczne mogą być zsyntetyzowane wyłącznie dzięki sile życiowej, właściwej tylko organizmom żywym, nie można ich otrzymać w laboratorium. Została uznana za fałszywą w 1828 przez F. Wohlera, który zmienił cyjanian amonu w mocznik.

1897 – fermentacja alkoholowa z ekstraktu drożdży

1891 – stereoizomery D/L-gliceraldehydu

1894 – teoria klucza i zamka wyjaśnia działanie enzymów, wprowadzenie pojęcia kompleksu enzym-substrat

1937 – Hans Krebs – cykl metaboliczny (kwasu cytrynowego)

1944 – DNA jako nośnik informacji genetycznej

1951 – odkrycie α-helisy

1953 – synteza glicyny, alaniny, aminokwasów z H2OCH2, NH3 i H2

1953 – Watson i Crick – model replikacji DNA i jego struktura

1953 – zsekwencjonowanie białka (insuliny) – Sanger

1959 – struktura mioglobiny, hemoglobiny

1977 – zsekwencjonowanie DNA

1990 – zastosowanie PCR

Metody sekwencjonowania

o       Sangera: przerwanie syntezy łańcucha DNA przez wprowadzenie dideoksynukleotydu

o       Maxima i Gilberta: chemiczna degradacja DNA przez związki, które trawią DNA w specyficznych miejscach.

Metoda Sangera „dideoksy” terminacji łańcucha:

o       Analogi nukleotydów (ddNTP) są włączane do DNA podczas jego syntezy wspólnie z prawidłowymi nukleotydami (dNTP)

o       Włączanie ddNTP do syntezy powoduje zatrzymanie wydłużania łańcucha DNA

o       ddNTP znajduje się radioaktywnie lub fluorescencyjnie

o       analizuje się długość fragmentów DNA, które odpowiadają różnym punktom terminacji łańcucha

PCR

1996 – zsekwencjonowanie genomu drożdży

1999 – poznanie genomów wielu bakterii

2000 – struktura rybosomy

2001 – kompletny genom człowieka

2003 – złoty standard nDNA (99,9% wierności)

Sekwencjonowanie genomu człowieka

Genomika: nowa dziedzina nauki, która odczytuje i interpretuje informacje genetyczne

Zwierzęce bioreaktory: świnia – hemoglobina; krowa – laktoferryna; koza – antytrombina; królik – glukozydaza.

Zwierzęta na zamówienie: mysz onkogeniczna, mysz Alzheimera, „ludzka mysz” z układem odporności.

Organizmy modelowe: bakterie (E. coli), drożdże (saccharomyces cerevisiae), nicień (Caenorhabditis peleagus), muszka owocówka (drosophila melanogaster), mysz (mus musculus).

Skład chemiczny komórki

Woda

Sole mineralne: mikroskładniki, makroskładniki

Składniki organiczne (struktury nadcząsteczkowe): białka, kwasy nukleinowe, polisacharydy, monosacharydy, lipidy.

Makropierwiaski:

Stanowią 99,4% masy ciała, należą do nich O, C, H, N, Ca, Na, K, Cl, S, Mg. Tlen, węgiel, wodór dostarczane w diecie, związane w białkach, tłuszczach, węglowodanach. Zapotrzebowanie na pozostałe makropierwiastki wynosi więcej niż 100mg/dobę.

Mikropierwiastki:

Niedobór prowadzi do zaburzeń funkcjonowania organizmu.

Niezbędne: Fe, Zn, Cu, I, Mn, Mo, Co, Se, Cr, F.

Potencjalnie istotne: Ni, Sn, W, Si

Nieistotne: Al, Bor, Ge, Kadm, Ar, Antymon, Bi, Pb, Hg, rubid, Ag, Ti.

Istotne mogą wchodzić w skład:

Ø      hormonów – trijodotyronina

Ø      witaminy B12 – kobalt

Ø      metaloprotein: Fe w hemoglobinie, Cu w ceruloplazminie

Ø      enzymów:

o       Cu – dysmutacja ponadtlenkowa, oksydazy aminowe

o       Zn – anhydraza węglanowa

o       Mn – arginaza, glikozylotransferaza

o       Se – peroksydaza glutationowa

Specyficzność działania pierwiastków śladowych

Niedobór pierwiastka może być usunięty tylko przez ten sam pierwiastek.

Specyficzność wynika z: wartościowości, potencjału redox, promienia jonowego, liczby koordynacyjnej, geometrii koordynacji, powinowactwa do ligandu. W warunkach In vitro specyficzność jest mniejsza.

Wchłanianie i przenoszenie pierwiastków śladowych w ustroju

Wchłanianie przy udziale specyficznych białek transportowych:

§         Albuminy – Cr, Cu, Mn, Se, Zn

§         Globuliny:

o       Transkobalamina – Co

o       Transferryna – Cr, Fe, Mn

o       Ceruloplazmina – Cu

o       α – makroglobulina – Mn, Zn

§         aminokwasy: Cu, Se

Wchłanianie w przewodzie pokarmowym zależy od związków chelatujacych (szczawiooctany), białek, włóknika, tłuszczy.

Wydalanie pierwiastków

§         mocz: Co, Cr, Mo, Se, Zn

§         żółć: Cu, Mn, Mo, Se, Zn,

§         sok trzustkowy: Zn

§         pot: Zn

§         martwe komórki śluzowe: Fe

Funkcje jonów metali:

v     katalityczna

v     metaloenzymy – określona ilość jonów metalu silnie związanych z apoenzymem. Jon metalu nie zmienia stopnia utlenienia w czasie katalizowanej reakcji. Zn2+, Mn2+, Ni2+, Mg2+, Cu2+ - w reakcjach hydrolizy, dekarboksylacji, transaminacji. Jon metalu ulega procesom redox Cu2+, Fe3+ - w cytochromach. Enzymy aktywowane przez jony metali – wiązania między jonem a apoenzymem jest słabe.

v     strukturalna – jony wapnia, hydroksyapatyt Ca10(PO4)6(OH)2; [3Ca3(PO4)2*Ca(OH)2]

v     Przekazywanie sygnałów hormonalnych

o       Jony wapnia: śródkomórkowy przekaźnik w mechanizmie działania hormonów

o       Jony jodu: integralna część hormonów tarczycy

v     Udział w obronie antyoksydacyjnej np. dysmutacja ponadtlenkowa, katalaza, peroksydaza glutationowa.

v     Udział w strukturze leków np. cis-platyna, trijabłczan złota.

Dysmutaza ponadtlenkowa

jest enzymem katalizującym reakcję dysmutacji polegający na przekształceniu rodników ponadtlenkowego i wodoroponadtlenkowego do nadtlenku wodoru. Dwuwartościowa miedź jest redukowana przez rodnik nadtlenkowy do jednowartościowej a rodnik utlenia się do neutralnej cząsteczki tlenu.

SODCu2 + ·O2 à SODCu+ + O2

Niemal natychmiast jednowartościowa miedź ulega ponownie utlenieniu w reakcji:

SODCu+ + ·O2 + 2H+ à SODCu++ + H2O2

Sumarycznie przedstawia się to:  2·O2 + H2O2 ---SODà H2O2

Katalaza (CAT) i peroksydaza glutationowa (GSH)

Enzymy zdolne do rozkładu nadtlenku wodoru powstającego np. w wyniku w/w reakcji do H2 i O2

Przy udziale katalazy: 2H2O2 ---CATà 2H2O + O2

Przy udziale peroksydazy glutationowej:  H2O2 + GSH à 2H2O + GS-SG

Fluor

Niemetal, m. at. 18,9984, żółtozielony gaz, 13 miejsce pod względem rozpowszechnienia w przyrodzie. Fluoryt: CaF2;

Apatyt: 3Ca3(PO4)2*CaF2;

Kriolit Na3AlF6

Wchłanianie

Jama ustna – wchłania nie więcej niż 1%. Żołądek 40-50%, większość związków fluoru przyswajana w górnej części jelita cienkiego.

Interakcje

Kationy wielowartościowe hamują wchłanianie Ca2+, Mg2+, Al3+. NaCl ogranicza przyswajanie, tłuszcze pomagają.

Występowanie

W osoczu w postaci jonowej i niejonowej. Wysokie pH krwi i jej hematokryt – wzrost stężenia fluoru. Są obecne we wszystkich płynach ustrojowych, stężenie zależne od stężenia w osoczu. Transportowane przez łożysko.

Aktywność biologiczna

Wiąże się z enzymami: w miejscu aktywnym, w dodatnio naładowanych domenach. Mogą być ich aktywatorami, inhibitorami. Mają wpływ na szlaki przemian lipidowych i węglowodanowych: hamują działanie aldolazy (w glikolizie) prawdopodobnie uszkadzają komórki β wysp trzustki. Składnik zębów, kości. Hydroksyapatyt: Ca10(PO4)6(OH)2; Ca3(PO4)2; Ca(OH)2 związany z węglanami i cytrynianami.

Stosunek wapnia do fosforanów w fazie krystalicznej apatytu kości jest mniejszy niż w apatycie naturalnym. Fluorek zastępuje grupę hydroksylową hydroksyapatytu tworząc fluoroapatyt, który jest znacznie twardszy, ale bardziej kruchy.

Toksyczność

W dużych dawkach teratogenne, z metalami tworzy fluorki, u dzieci zaburzenia rozwojowe, wpływa niekorzystnie na pobieranie i metabolizm jodu, działanie neurotoksyczne.

Fluorki na płytce nazębnej powodują:

Hamowanie procesu demineralizacji, wzmaganie procesu remineralizacji, redukcję gradie...