Kompleksowe Notatki z Biochemii

Wykład 1: Wprowadzenie do biochemii Diagnostyka i zaliczenie

• Termin pierwszego wykładu: 23 luty.
• Zaliczenie: odbywa się podczas 8. wykładu, maksymalna liczba punktów do zdobycia wynosi $100$.
• Struktura testu: około $80$ pytań jednokrotnego wyboru oraz około $20$ pytań półotwartych (odpowiedź krótka: jeden wyraz lub zdanie).
• Przewidziana jedna poprawa.
• Literatura podstawowa:     * J.M. Berg, J.L. Tymoczko, L. Stryer – główne źródło do doczytywania tematów.     * B. Alberts – –Podstawy biologii komórki–.     * –Biochemia Harpera–.

Cele i zakres biochemii

• Definicja: Dziedzina nauki badająca procesy biologiczne w organizmach żywych na poziomie komórkowym i molekularnym. Jej celem jest wyjaśnienie molekularnych podstaw życia.
• Przedmiot badań:     * Struktura, właściwości i funkcjonowanie cząsteczek biologicznych.     * Zależności między budową cząsteczek a procesami zachodzącymi w komórkach, tkankach i narządach.     * Przemiany metaboliczne i szlaki sygnałowe.     * Wpływ zaburzeń funkcjonowania cząsteczek i szlaków na organizm.
• Jedność biochemiczna: Organizmy wykazują dużą jednorodność na poziomie komórkowym. Hierarchia: Zwierzę → Układ → Narządy → Tkanki → Komórka (prawie identyczne u wszystkich) → Makrocząsteczki (prawie identyczne u wszystkich).

Organizmy jako układy chemiczne

• Chemia istot żywych:     * Opiera się głównie na związkach węgla (chemia organiczna).     * Zachodzi w roztworach wodnych w wąskim zakresie temperatur.     * Bazują na unikatowych właściwościach polimerów.     * Złożoność: Nawet prosta komórka jest bardziej skomplikowana chemicznie niż znane układy nieożywione.     * Ścisła kontrola: Mechanizmy zapewniające reakcje we właściwym miejscu i czasie.
• Zastosowania praktyczne:     * Diagnostyka chorób: badania płynów ustrojowych, wczesne wykrywanie zmian (zwłaszcza u zwierząt starszych).     * Ocena przedzabiegowa: bezpieczeństwo narkozy i metabolizm leków.     * Żywienie: zrozumienie zapotrzebowania na składniki odżywcze.     * Farmakoterapia: mechanizm działania i interakcje leków.     * Obliczenia biochemiczne: przeliczanie jednostek, stężeń i rozcieńczeń.

Skład pierwiastkowy i wiązania chemiczne

Pierwiastki budujące organizm

• Ponad $95\%$ składu to: $O$, $C$, $H$ i $N$.
• Dodatkowo występują: $Ca$, $F$, $K$, $Na$ i inne.

Wiązania chemiczne

• Interakcje między atomami dążące do stabilnego rozmieszczenia elektronów. Atom jest najstabilniejszy, gdy powłoki najbliżej jądra są wypełnione.
• Energia wiązania: Najmniejsza energia potrzebna do jego zerwania.
• Wiązania silne:     * Wiązania kowalencyjne: wspólne użytkowanie elektronów.         * Niespolaryzowane – równocenne; Spolaryzowane – jedna strona przyciąga silniej (dipol).         * Charakter podwójny: silniejsze, krótsze, sztywne i płaskie – uniemożliwiają obrót wokół osi, co wpływa na strukturę cząsteczki.
• Słabe oddziaływania niekowalencyjne:     * Jonowe: przekazanie elektronu.     * Wodorowe: atom wodoru ($H$) dzielony między dwa ujemnie naładowane atomy. Donor wodoru: cząsteczka z $H$ o silnym ładunku cząstkowym dodatnim (np. grupy $-OH$, $-NH$). Akceptor wodoru: atom silnie elektroujemny z wolną parą elektronową (np. $O$, $N$). Stabilizują helisę $DNA$ i konformację białek.     * Oddziaływania hydrofobowe: między cząsteczkami niepolarnymi (zbudowanymi z $C$ i $H$), które dążą do minimalizacji kontaktu z wodą.     * Siły van der Waalsa: wynikają ze zmiennego rozkładu ładunków (tymczasowa polaryzacja). Każdy atom ma promień van der Waalsa (charakterystyczną odległość kontaktową).
• Znaczenie wiązań:     * Kowalencyjne: warunkują szkielety cząsteczek (makrocząsteczki).     * Niekowalencyjne: ustalają budowę przestrzenną, umożliwiają zwijanie białek, rozpoznawanie substratów i detekcję sygnałów.

Woda i składniki mineralne

Właściwości wody

• Zbudowana z wiązań kowalencyjnych spolaryzowanych $H-O$.
• Cząsteczka jest dipolem (biegun dodatni i ujemny, sumarycznie obojętna).
• Dipole tworzą wiązania wodorowe, co nadaje wodzie charakter kohezyjny i strukturę uporządkowaną w stanie płynnym.
• Niewielka skłonność do dysocjacji.
• Rola biologiczna: główny rozpuszczalnik, środowisko reakcji, substrat (donor elektronów), element termoregulacji.
• Wpływ na strukturę: wymusza strukturę $3D$ białek i kwasów nukleinowych, tworzy układy koloidowe (cytoplazma).
• Rozpuszczalność: woda osłabia wiązania jonowe soli, a cząsteczki polarne otacza płaszczem wodorowym.

Składniki mineralne

• Makroelementy: Zapotrzebowanie $> 100\,mg/dob\text{ę}$. Należą do nich:     * $Na^{+}$: Główny kation pozakomórkowy, utrzymuje równowagę osmotyczną, przewodzi impulsy.     * $K^{+}$: Główny kation wewnątrzkomórkowy.     * $Cl^{-}$: Główny anion pozakomórkowy, synteza $HCl$ w żołądku, transport $CO_2$.     * $Ca$: $99\%$ w macierzy kostnej (hydroksyapatyt), wtórny przekaźnik sygnału, skurcz mięśni, krzepnięcie, kofaktor enzymów.     * $P$ i fosforany: Mineralizacja kości, synteza $ATP$, regulacja enzymów.     * $Mg$: $> 50\%$ w kościach, regulacja stężenia $Ca, Na, K$, aktywacja enzymów.
• Mikroelementy: Zapotrzebowanie rzędu kilku $mg/dob\text{ę}$. Przykład: $Fe$ (hemoglobina, mioglobina, cytochromy), $Cu$ (metaloenzymy jak oksydaza cytochromowa), $Zn, Se, Mn, Mo, Co, Cr, I, F$.

Aminokwasy i Białka

Budowa aminokwasów

• Kwasy organiczne zawierające grupę aminową ($-NH_2$) i karboksylową ($-COOH$) przy węglu $\alpha$.
• Węgiel $\alpha$ jest asymetryczny (chiralny), co tworzy enancjomery $D$ i $L$. Białka budują wyłącznie $L-\alpha\text{-aminokwasy}$.
• Wyjątki: Glicyna (brak chiralności), Treonina i Izoleucyna (dodatkowe centrum chiralne).
• Punkt izoelektryczny ($pI$): pH, przy którym ładunek wypadkowy cząsteczki jest równy $0$ (jon obojnaczy).

Klasyfikacja i funkcje aminokwasów

• W przyrodzie występuje ok. $300$ aminokwasów, ale białka buduje tylko $20$ (kodowane w $DNA$).
• Grupy: alifatyczne, siarkowe, aromatyczne, obojętne, kwasowe (ujemne w pH fizjologicznym), zasadowe (dodatnie w pH fizjologicznym), cykliczne, hydroksyaminokwasy.
• Inne aminokwasy w białkach: Selenocysteina ($21\text{.}$ aminokwas, zamiast $S$ ma $Se$), Hydroksyprolina i Hydroksylizyna (kolagen).
• Aminokwasy niebiałkowe: $GABA$ (neuroprzekaźnik), Cytrulina i Ornityna (cykl mocznikowy), kwas $D\text{-glutaminowy}$.
• Podział żywieniowy:     * Egzogenne: organizm ich nie syntetyzuje (u zwierząt np. Arginina, Histydyna). Tauryna jest bezwzględnie egzogenna dla kotów (jej brak prowadzi do ślepoty).

Struktura białek

• Wiązanie peptydowe: kowalencyjne, płaskie, sztywne, o charakterze częściowo podwójnym. Długość: $0,132\,nm$. Brak rotacji.
• Poziomy organizacji:     1. I-rzędowa: sekwencja aminokwasów (wiązania peptydowe).     2. II-rzędowa: lokalne ułożenie łańcucha (alfa-helisa – prawoskrętna, beta-harmonijka – równoległa i antyrównoległa, beta-zwrot). Stabilizowana wyłącznie wiązaniami wodorowymi.     3. III-rzędowa: ostateczna konformacja przestrzenna. Stabilizowana przez mostki disiarczkowe (kowalencyjne) oraz oddziaływania hydrofobowe, jonowe i van der Waalsa.     4. IV-rzędowa: dotyczy białek oligomerycznych (kilka łańcuchów, np. hemoglobina).
• Denaturacja: zniszczenie struktur II, III i IV rzędu przy zachowaniu struktury I-rzędowej. Nieodwracalna utrata funkcji biologicznej. Wywoływana przez temperaturę ($> 40-50^{\circ}C$), mocne kwasy/zasady, metale ciężkie.

Enzymy

Mechanizm działania

• Enzymy to biologiczne katalizatory (białka lub $RNA$ - rybozymy).
• Sposób działania: zwiększają prawdopodobieństwo zderzenia substratów, stabilizują stan przejściowy, obniżają energię aktywacji ($\Delta G$). Przyspieszają reakcje co najmniej milion razy.
• Centrum aktywne: specyficzna szczelina stanowiąca mały fragment białka, gdzie wiąże się substrat.
• Specyficzność: absolutna (jeden substrat) lub grupowa (typ reakcji).

Budowa i klasy

• Holoenzym = Apoenzym (białko) + Kofaktor.
• Kofaktory:     * Koenzymy: luźno związane (np. $NAD^{+}, FAD$).     * Grupa prostetyczna: trwale związana kowalencyjnie.
• Klasyfikacja (numeracja stała $EC$):     1. Oksydoreduktazy (utlenianie/redukcja).     2. Transferazy (przenoszenie grup).     3. Hydrolazy (rozrywanie z udziałem $H_2O$).     4. Liazy (rozrywanie bez udziału $H_2O$).     5. Izomerazy (zmiana położenia grup w cząsteczce).     6. Ligazy (tworzenie wiązań).     7. Translokazy (ruch przez błony).

Kinetyka i regulacja

• Równanie Michaelisa-Menten: Opisuje zależność szybkości ($V$) od stężenia substratu ($[S]$).
• Stała Michaelisa ($K_M$): stężenie substratu, przy którym $V = 1/2 V_{max}$. Odwrotnie proporcjonalna do powinowactwa enzymu do substratu.
• Inhibicja:     * Kompetycyjna: inhibitor podobny do substratu, wiąże się w centrum aktywnym. $V_{max}$ bez zmian, $K_M$ rośnie.     * Niekompetycyjna: wiąże się poza centrum aktywnym. $V_{max}$ maleje, $K_M$ bez zmian.
• Enzymy allosteryczne: budowa oligomeryczna, krzywa o kształcie sigmoidalnym, wykazują kooperatywność.

Węglowodany i ich Metabolizm

Klasyfikacja cukrów

• Monosacharydy (Aldozy i Ketozy): Triozy, Tetrozy, Pentozy, Heksozy. W roztworach tworzą pierścienie (piranozy, furanozy) i anomery (alfa, beta).
• Disacharydy: Sacharoza (alfa-1,2), Laktoza (beta-1,4), Maltoza (alfa-1,4).
• Polisacharydy:     * Skrobia: zapasowa u roślin (Amyloza – prosta, Amylopektyna – rozgałęziona wiązaniami alfa-1,6).     * Glikogen: zapasowy u zwierząt, bardziej rozgałęziony niż amylopektyna.     * Celuloza: strukturalna u roślin (wiązania beta-1,4 – długie, proste włókna).

Glikoliza

• Lokalizacja: cytoplazma. Cel: przekształcenie $1$ cząsteczki glukozy w $2$ cząsteczki pirogronianu.
• Bilans netto: $2\,ATP$ i $2\,NADH$.
• Kluczowe punkty kontrolne: Heksokinaza ($1\text{.}$ reakcja), Fosfofruktokinaza ($3\text{.}$ reakcja), Kinaza pirogronianowa ($10\text{.}$ reakcja).
• Warunki beztlenowe: regeneracja $NAD^{+}$ poprzez fermentację mleczanową (redukcja do mleczanu – mięśnie, erytrocyty) lub alkoholową (drożdże).

Inne szlaki metaboliczne

• Szlak pentozofosforanowy: dostarcza $NADPH$ (do biosyntez) i Rybozo-5-fosforan (do nukleotydów).
• Glikogenogeneza (synteza): inicjowana przez białko glikogeninę. Kluczowy enzym: syntaza glikogenowa.
• Glikogenoliza (rozpad): kluczowy enzym: fosforylaza glikogenowa. Produktem w mięśniach jest glukozo-6-fosforan, a w wątrobie wolna glukoza (dzięki glukozo-6-fofatazie).
• Glukoneogeneza: synteza glukozy z mleczanu, aminokwasów (alanina), glicerolu lub propionianu (u przeżuwaczy). Wymaga nakładu $4\,ATP$ i $2\,GTP$.
• Regulacja hormonalna: Insulina (stymuluje syntezę glikogenu i glikolizę), Glukagon i Adrenalina (stymulują rozpad glikogenu i glukoneogenezę).

Kwasy Nukleinowe i Ekspresja Genów

Budowa kwasów nukleinowych

• Nukleotyd = zasada azotowa (puryna: $A, G$; pirymidyna: $C, T, U$) + cukier + grupa fosforanowa.
• $DNA$: dwuniciowa helisa, antyrównoległa ($5'\rightarrow 3'$ i $3'\rightarrow 5'$). Zasady łączą się komplementarnie ($A=T$: $2$ wiązania, $G\equiv C$: $3$ wiązania).
• $RNA$: zazwyczaj jednoniciowy ($mRNA$, $rRNA$, $tRNA$).

Replikacja i Transkrypcja

• Replikacja: semikonserwatywna. Helikaza rozrywa helisę, polimeraza $DNA$ syntetyzuje nową nić w kierunku $5'\rightarrow 3'$. Nić opóźniona powstaje w postaci fragmentów Okazaki.
• Transkrypcja: przepisywanie $DNA$ na $RNA$ przez polimerazę $RNA$. Promotor sygnałem startu. Modyfikacje posttranskrypcyjne: cap ($5'$), ogon poli(A) ($3'$), splicing (usuwanie intronów).

Translacja

• Odkodowanie informacji z $mRNA$ na białko.
• Kodon START: $AUG$ (Metionina). Kodony STOP: $UAA, UAG, UGA$.
• Etapy: Inicjacja, Elongacja, Terminacja. Wymaga $tRNA$ (adaptor) i rybosomów.
• Modyfikacje potranslacyjne: proteoliza, glikozylacja, fosforylacja (regulacja aktywności).

Metabolizm i zaburzenia

• Produkty trawienia: zasady azotowe, cukry, fosforany. Końcowy produkt rozpadu puryn: kwas moczowy ($2-4\,mg/dl$).
• Zaburzenia:     * DNA moczanowa: krystalizacja kwasu moczowego w stawach.     * Ksantynuria: niedobór oksydazy ksantynowej.     * Acyduria orotanowa: niedobór w biosyntezie pirymidyn, prowadzi do niedokrwistości.

Lipidy

Klasyfikacja i budowa

• Tłuszcze proste: Estry glicerolu i kwasów tłuszczowych (triglicerydy) lub woski (alkohole długołańcuchowe).
• Kwasy tłuszczowe: Nasycone (stałe, np. palmitynowy $C16:0$) i Nienasycone (płynne, wiązania $cis$). $NNKT$: kwas linolowy i linolenowy (Omega-$3$ i $6$).
• Tłuszcze złożone: Fosfolipidy (lecytyny), Glikolipidy, Sfingolipidy.
• Związki tłuszczopodobne: Steroidy (cholesterol – prekursor witaminy $D_3$, hormonów i kwasów żółciowych), Karotenoidy.

Trawienie i transport

• Zaczyna się w żołądku (lipaza kwasostabilna), główna faza w dwunastnicy.
• Emulsyfikacja: wymuszona przez sole żółciowe (detergenty). Powstają micele mieszane.
• Enzymy trzustkowe: lipaza trzustkowa, kolipaza, fosfolipaza $A2$, esteraza cholesterolowa.
• Transport: Chylomikrony (największe lipoproteiny, $90\%$ triglicerydów) transportują lipidy przez limfę do krwi. Klasy lipoprotein: $VLDL, IDL, LDL$ (–zły–), $HDL$ (–dobry–).

Metabolizm kwasów tłuszczowych

• Główne źródło energii (z wyjątkiem erytrocytów i komórek nerwowych).
• Beta-oksydacja: zachodzi w mitochondrium. Skracanie łańcucha o fragmenty dwuwęglowe ($acetylo-CoA$). Wytwarza $NADH$ i $FADH2$.
• Kwasy o nieparzystej liczbie węgla: kończą się jako propionylo-CoA, który wymaga Biotyny ($B_7$) i Kobalaminy ($B_{12}$), aby stać się sukcynylo-CoA i wejść do cyklu Krebsa.
• Klinika: Niewydolność trzustki ($EPI$) u psów powoduje steatorrhea (tłuszczowa biegunka) i niedobory witamin $A, D, E, K$.