AMINOKWASY
Aminokwasy: budowa – do atomu C przyłączona jest grupa aminowa NH2, atom H, rodnik R
Aminokwasy występują w formie stereo izomerów ( L i D)- forma D( ) forma L()
Właściwości amfoteryczne- w roztworze o pH bliskim 7 aminokwasy występują w formie jony obojnaczego; w roztworze aminokwasy występują z reguły w jednej z trzech postaci: forma kationowa, obojnacza i anionowa; dobra rozpuszczalność w wodzie i mała w rozpuszczalnikach organicznych, charakteryzuje je wysoki pkt topnienia, są związkami o strukturze jonowej (są elektrolitami).
Punkt izoelektryczny – pH, przy którym aminokwas występuje w formie jonu obojnaczego przy minimalnych lecz równych ilościach form jednobiegunowych.
Funkcje aminokwasów- podstawowy element budowy białek, magazyn azotu aminowego, forma transportu azotu pomiędzy organami roślin, substrat do syntezy zasad azotowych, fitohormonów i metabolitów wtórnych.
Klasyfikacja aminokwasów – występowanie w białkach i ich kodowanie (białkowe – występują w białkach oraz odpowiadają im trójki nukleotydów w kodzie genetycznym; niebiałkowe); budowa i właściwości rodnika (alifatyczne – niepolarne, hydrofobowe: alanina, glicyna, walina, leucyna, izoleucyna, prolina; zawierające OH lub SH – o małej polarności: seryna, treonina, cysteina, metionina; Aromatyczne- hydrofobowe: tyrozyna, fenyloalanina, tryptofan; zasadowe- polarne: arginina, lizyna, histydyna; kwaśne – polarne: kwas glutaminowy i asparginowy), zdolność ssaków do ich syntezy (endogenne, egzogenne: Val, Leu, Ile, Phe, Tyr, Trp, Met, Thr, Lys).
Biosynteza aminokwasów: substraty niezbędne do syntezy aminokwasów – metabolity bezazotowe, pirogronian,
2-oksoglutaran, szczawiooctan, 3-fosfoglicerynian, związki azotu
Etapy biosyntezy aminokwasów- redukcja azotanów: reduktaza azotanowa i reduktaza azotynowa; redukcyjna aminacja 2-oksokwasów; włączanie amoniaku do związków organicznych w roślinach przy udziale kompleksu GS (syntetaza glutaminy) i GOGAT (synteza glutaminianowa, glutamina+2-oksoglutaran->kwas glutaminowy);
Transaminacja ( aminokwas I + oksokwas II-> oksokwas I + aminokwas II)
Przemiany aminokwasów- dekarboksylacja ( aminokwas-> amina), deaminacja (aminokwas 2-oksokwas), wiązanie peptydowe: aminokwasy łączą się ze soba za pośrednictwem wiązania peptydowego pomiędzy grupą COOH jednego aminokwasu i drugiego;
Charakterystyka wiązania peptydowego- jest sztywne i płaskie, atom H grupy –NH znajduje się prawie zawsze w pozycji trans w stosunku do atomu O grupy karbonylowe.
BIAŁKA
Cztery poziomy struktury białek: Pierwszorzędowa struktura białek- kolejność występowania aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym czyli sekwencja aminokwasów; drugorzędowa- regularne ułożenie struktury pierwszorzędowej, α-helix ( łańcuch prawoskrętny w postaci spiralnie skręconej helis; 3,6 reszt aminokwasowych przypada na skręt; stabilizacja struktury za pośrednictwem wiązań wodorowych i wewnątrz tego samego łańcucha), β-harmonijka (struktura zawdzięcza regularny kształt wiązaniom wodorowym między sąsiadującymi łańcuchami, może być równoległa lub antyrównoległa), struktura β-heliksu (lewo kierunkowe zwinięcie łańcucha polipeptydowego charakterystyczne dla białek elastycznych); struktura trzeciorzędowa – powstaje przez wzajemne przestrzenne ułożenie struktur drugorzędowych, proces fałdowania przebiega w obecności cha peronów, reszty hydrofilowe łańcuchów bocznych występuja zwykle na zewnątrz białka; struktura czwartorzędowa – wzajemne ułożenie dwóch lub więcej łańcuchów, z których każdy ma określona strukturę I, II i III rzędową, np. hemoglobina – białko zawierające 2 podjednostki α oraz 2 podjednostki β.
Funkcje białek: enzymatyczne- biologiczne katalizatory, strukturalna- elementy budulcowe struktur komórkowych, hormonalna- wchodzą w skład niektórych hormonów, ochronna- przeciwciała rozpoznające bakterie lub wirusy, regulacyjna- regulacja transkrypcji, sygnalizacyjna- receptory sygnałów.
Właściwości białek: wielkość 5-100nm, mają charakter koloidów, rozproszone cząsteczki otoczone są „płaszczem wodnym”, nie przenikają przez błony lub są półprzepuszczalne o średnicy por poniżej 5nm.
Denaturacja białek: naruszenie struktury białek w sposób nieodwracalny, czynniki wywołujące denaturację (wysoka temperatura, promieniowanie, kwasy, zasady, alkohole, sole metali ciężkich).
Zmiany towarzyszące denaturacji: zmniejszenie rozpuszczalności w punkcie izoelektrycznym, utrata aktywności biologicznej, zwiększenie aktywności grup chemicznych, wzrost kąta skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego, wzrost podatności na hydrolizę enzymatyczną.
Podział białek: ze względu na kształt cząsteczki (fibrylarne lub globularne), ze względu na skład (Proste: albuminy- występują w ziarniakach i cieczach ustrojowych u zwierząt, rozpuszczalne w wodzie i roztworach soli; globu limu- występują w cieczach ustrojowych w i ziarniakach, rozpuszczalne w roztworach soli, nierozpuszczalne w wodzie; histony- białka jądra komórkowego, mają charakter zasadowy; prolaminy- występuja w nasionach traw, rozpuszczalne w roztworach alkoholi; gluteliny- wchodzą w skład glutenu, rozp. W roztworach kwasów i zasad; skleroproteiny- występuja u zwierząt jako składniki tkanki łącznej ___ złożone- fosfoproteidy, glikoproteidy, nukleoproteidy, metaloproteidy,
ENZYMY
Centrum aktywne- podstawowy element strukturalny umożliwiający połączenie enzymu z substratem i przemianę go w produkt; znajduje się zwykle w zagłębieniu lub szczelinie o właściwościach niepolarnych; przestrzennie sprecyzowany układ szeregu aminokwasów zawierających grupy funkcyjne( -SH, -OH, -COOH); substrat jest wiązany za pośrednictwem licznych wiązań wodorowych, sił elektrostatycznych, sił van der Waalsa, oddziaływań hydrofobowych.
Mechanizm działania- zwiększają prawdopodobieństwo zderzeń cząstek, ukierunkowują cząsteczki względem siebie, obniżają energię aktywacji reakcji.
Energia aktywacji- energia niezbędna do rozpoczęcia reakcji enzymatycznego lub jest to różnica w energii swobodnej pomiędzy stanem przejściowym reakcji a substratem.
Kinetyka reakcji enzymatycznych: dotyczy zależności szybkości reakcji od stężenia substratu, model przebiegu reakcji enzymatycznej został zaproponowany prze Mechaeliusa-Menten- E+SESE+P
Krzywą kinetyki reakcji opisuje równanie Michaelisa-Menten:
Przy niskich stężeniach substratu początkowa szybkość reakcji jest wprost proporcjonalna do stężenia; przy dużych stężeniach substratu szybkość reakcji zmierza do Vmax i nie jest zależna od stężenia substratu; gdy szybkość reakcji odpowiada ½ Vmax to równanie przyjmuje postać: . - stała Mechaelisa – określa stęknie substratu, przy którym szybkość reakcji osiąga połowę szybkości maksymalnej, jest miarą stabilności kompleksu ES, stanowi iloraz szybkości rozkładu ES i szybkości jego powstawania:
Stała Michaelisa ()- jest wskaźnikiem powinowactwa enzymu do substratu, wartości stałej mieszczą się w granicach od ; zależą od rodzaju substratu, rodzaju enzymu, temperatury i pH, małe wartości stałej wskazują na duże powinowactwo enzymu do substratu oraz na dużą szybkość reakcji.
Cechy enzymów: są białkami, przyśpieszają szybkość reakcji (oligodynamiczność), nie wchodzą w skład produktów, przyśpieszają reakcje prawdopodobne w warunkach naturalnych, mogą przeprowadzać reakcje w obu kierunkach, cechują je określone optymalne warunki działania, ich aktywność może być regulowana.
Kwaśna fosfataza- substrat 4-nitrofenylofosforan (4-NPP), produkt 4-nitrofenol (4-NP) – po alkalizacji środowiska przechodzi w formę barwną: 4-NPP 4-NP. + Pi,
Klasyfikacja enzymów:
Oksydoreduktazy- katalizują odłącznie lub ,e, O; wyróżniamy dehydrogenazy, reduktazy, oksydazy;,
Transferazy- przeniesienie grup funkcjonalnych, wyróżniamy: aminotransferazy, fosfotransferazy (kinazy), acylotransferazy, glikozylotransferazy,
Hydrolazy- katalizują reakcje rozkładu związków organicznych przy udziale wody; wyróżniamy esterazy, fosfatazy, peptydazy, glikozydazy,
Liazy- katalizują (odwracalnie lub nieodwracalnie) odłączenie grup od substratu bez udziału wody przez rozrywanie wiązań: C-C, C-O, C-N, C-S; wyróżniamy dekarboksylazy i deaminazy,
Izomerazy- katalizują przekształcenie molekularne; wyróżniamy epimerazy, racemazy, mutazy,
Ligazy- katalizują tworzenie wiązań pomiędzy dwoma cząsteczkami (powstanie wiązań C-O, C-N, C-S) z udziałem związków makroergicznych; wyróżniamy syntetazy i karboksylazy.
Jednostki aktywności enzymów:
Katal- aktywność enzymu, przy której jest on zdolny przekształcić 1 mol substratu w produkt w ciągu 1s, w optymalnych warunkach,
Aktywność molekularna- liczba moli substratu, zdolna przereagować z 1 mol centrów aktywności w ciągu 1 min w optymalnych warunkach,
Jednostka międzynarodowa- wytworzenie 1 mikro mola produktu w ciągu 1 min w warunkach optymalnych,
Regulacja działania enzymów:
Genetycznie- kontrola syntezy (nowych) enzymów,
Regulacja działania istniejących enzymów.
Kompetycyjna inhibicja enzymów- inhibitor konkuruje z substratem o CA enzymu; ulega zwiększeniu, nie zmienia się
Niekompetycyjna inhibicja enzymów- inhibitor nie konkuruje z substratem o CA enzymu; nie zmienia sie, zmniejsza się,
Inaktywacja enzymów:
Dotyczy hamowania działania enzymu przez inaktywatory, które działają w sposób nieodwracalny,
Inaktywatorami mogą być wysoka temperatura, związki chemiczne i zmiana pH.
Regulacja aktywności enzymu przez sprzężenie zwrotne- końcowy produkt może zahamować funkcjonowanie enzymu.
Enzymy allosteryczne:
Zbudowane zwykle z kilku podjednostek,
Oprócz centrum aktywnego zawierają dodatkowe centrum tzw. allosteryczne,
Pełni ono funkcję regulacyjne,
Zjawisko allosterii występuje zarówno przy hamowaniu jak i aktywacji reakcji enzymatycznych,
Krzywa kinetyki reakcji tych enzymów ma charakter krzywej sigmoidalnej,
Allosteryczna regulacja aktywności- aktywacja enzymu; aktywator allosteryczne zwiększa zdolność wiązania S do CA enzymu,
Allosteryczna regulacja aktywności- inhibicja enzymu; inhibitor allosteryczny uniemożliwia wiązania S przez CA enzymu,
Czynniki wpływające na szybkość działania enzymu:
Stężenie substratu,
Temperatura:
Zwiększa energię termiczną cząsteczek substratu co pozwala przekroczyć energię aktywacji,
Zgodnie z regułą Hoffa wzrost temp. o w zakresie temp. od 0 do zwiększa szybkość reakcji 2 razy,
Optimum działania wynosi: dla zwierząt 30-, dla roślin 25-,
pH: optymalne dla większości enzymów, zbliżone do obojętnego.
NUKLEOTYDY (KWASY NUKLEINOWE)
Nukleotydy zbudowane są z fosforanu, zasady azotowej i cukru.
Funkcje nukleotydów:
składniki kwasów nukleinowych,
składniki koenzymów,
zwiększają reaktywność związków organicznych w wyniku: przeniesienia grupy fosforanowej na aktywowany związek; połączenia aktywowanych związków nukleotydem,
wchodzą w skład systemów regulacyjnych, np. fosforylacja i adenylacja enzymów,
DNA (kwas deoksyrybonukleinowy)- budowa:
dwa heliakalne łańcuchy polinukleotydowe oplatające wspólną oś,
łańcuchy ułożone są antyrównolegle,
reszty fosforanowe i cukrowe tworzą łańcuch wewnątrz którego znajdują się zasady azotowe,
płaszczyzny zasad azotowych ułożone są prostopadle do osi helisy,
na całkowity skręt helisy przypada 10 par nukleotydów,
suma zasad purynowych (A+G) = sumie zasad pirymidynowych (C+T) ,
ilość A= ilości T; ilość G+ ilości C.
Stabilność struktury DNA uwarunkowana jest wiązaniami:
wodorowymi pomiędzy komplementarnymi zasadami,
hydrofobowymi pomiędzy zasadami azotowymi w danym łańcuchu,
zewnętrznymi wiązaniami wodorowymi (O z wodą lub białkami).
KWASY RYBONUKLEINOWE RNA
Forma RNA:
rybosomowy RNA (rRNA)- o największej masie, występuje w rybosomach, pełni funkcję strukturalne,
informacyjny RNA (mRNA)- o zróżnicowanej masie, występuje w jądrze i cytoplazmie, przenosi informację z DNA na białko,
transportowy RNA (tRNA)- o najmniejszej masie cząsteczkowej, występuje w cytoplazmie, ma kształt „liścia koniczyny”, przy końcu 3 znajduje się miejsce przyłączenia aminokwasu, przy pętli 2 występuje antykodon; jego funkcją jest wiązanie i transport aminokwasów z cytoplazmy do miejsca syntezy białek
DNA
RNA
Jądro, mitochondria, chloroplasty
występowanie
Rozprowadzany w komórkach poza wakuolą
Większa (1600-9000)
masa
Mniejsza (60-6000)
Podwójny łańcuch
budowa
Pojedynczy łańcuch
deoksyryboza
pentoza
ryboza
A, G, C, T
Związki azotowe
A, G, C, U
Ulega replikacji (DNA) i transkrypcji (RNA)
Nie ulega replikacji i transkrypcji (wyjątkiem są wirusy)
Kod genetyczny- reguła, wg której informacja genetyczna zawarta w sekwencji nukleotydów kwasu nukleinowego (DNA lub RNA) w komórkach wszystkich organizmów może ulegać „tłumaczeniu” na kolejność (sekwencję) aminokwasów w ich białkach. Cechy kodu genetycznego:
trójkowy- trzy leżące obok siebie nukleotydy stanowią kodon (triplet),
litery kodu- 4 zasady azotowe,
ilość kombinacji- 64,
kodon startowy- kodon AUG- kodujący aminokwas metioninę,
kodony niespecyfikujące- są to kodony STOP- nie kodujące żadnego aminokwasu (UAA, UAG, AGA),
ciągły- sekwencja zasad odczytywania kolejno,
zdegenerowany- aminokwasy kodowane są przez więcej niż jeden triplet,
prawie uniwersalny- taki sam dla większości organizmów,
jednoznaczny- każdy triplet wyznacza tylko jeden aminokwas,
kolinearny- kolejność ułożenia aminokwasów w białku jest wiernym odzwierciedleniem ułożenia odpowiednich kodonów na matrycy RNA,
niezachodzący- kolejny trójki nukleotydów nie zachodzą na siebie.
Podstawowy dogmat genetyczny: DNA->RNA->białko->struktura i funkcje komórek.
Replikacja DNA:
rozplecenie podwójnej helisy DNA,
miejsca 2-niciowej struktury DNA, w których dochodzi do jej rozplecenia są nazywane miejscami :ori:,
nowa nić jest syntetyzowana zgodnie z regułą komplementarności zasad azotowych,
powstają dwie nowe cząsteczki; każda ma jedną nić mateczną i jedną nową,
Replikacja semikonserwatywna- przy powieleniu materiału genetycznego w nowej podwójnej helisie DNA jedna nić pochodzi z DNA matecznego, a druga jest nowa
