ZGODOVINSKI RAZVOJ BIOKEMIJE
- Biokemijske reakcije in patološki procesi.
- 1828: Wohler (sečnina: NH3 + NCOH)
- 1952: Watson in Crick (DNA, RNA)
- Genetika
- Gensko inženirstvo
SESTAVNI DELI ŽIVIH ORGANIZMOV
Elementi:
ogljik, vodik, kisik, dušik, fosfor in žveplo
železo, jod, cink, baker, magnezij, kalcij, …..
Povezovanje elementov v molekule:
- aminokisline (N, H, C, S, …), peptidi (sestavljeni iz aminokislin)
- monosaharidi (H, N, C, O), disaharidi (povezana dva monosaharida), polisaharidi,
- maščobne kisline (N, C, O, H,…), glicerol (trivalentni alkohol)
- koencimi, hormoni, vitamini.
Povezovanje bioloških molekul v makromolekule:
- proteini (sestavljeni iz velikega števila aminokislin),
- ogljikovi hidrati,
- lipidi,
- nukleinske kisline (RNA, DNA).
BIOLOŠKE MAKROMOLEKULE-POLIMERI
- HOMOPOLIMERI– enaki monomeri
Škrob, celuloza (sestavljena iz molekul glukoze, ki se med seboj povezujejo z različnimi kemijskimi vezmi)
- HETROPOLIMERI-različni monomeri
DNA in RNA- heteropolimera (sestavljena iz nukleotidov)
Pomembne reakcije pri tvorbi polimerov:
- KONDENZACIJA-povezava monomerov (voda se odcepi)
- HIDROLIZA-cepitev makromolekul v vodnem mediju
DNA
Nosilka genetske informacije, ki se prenaša iz ene generacije na drugo s podvojevanjem DNA.
DNA je matrica za sintezo RNA.
DNA SESTOJI IZ 4 vrst deoksiribonukleotidov
- deoksiadenozin 5′ monofosfat (d AMP)
- deoksigvanozin 5′ monofosfat (d GMP)
- deoksicitidin 5′ monofosfat (d CMP)
- deoksitimidin 5′ monofosfat (d TMP)
Deoksiribonukleotid tvorijo:
deoksiriboza – purinska/primid. baza – fosfat
RNA
Pomembna za sintezo proteinov, ki so pomembni pri izgradnji celičnih membran in celičnih organelov. Proteini so heteropolimeri, ki so ključne makromolekule za pravilno delovanje celic.
RNA je sestavjena iz 4 vrst ribonukleotidov:
- adenozin 5′ monofosfat (AMP),
- gvanozin 5′ monofosfat (GMP)
- citidin 5′ monofosfat (CMP),
- uridin 5′ monofosfat (UMP)
Ribonukleotid sestoji iz:
riboze – purinske/primid. baze – fosfata
KOMPLEKSNE STRUKTURE
Makromolekule so sestavljene iz bioloških molekul, ki se med seboj prepoznavajo in se na specifičen način povezujejo. Povezujejo se reverzibilno s šibkimi kemijskimi vezmi. Kompleksne strukture so:
- celične membrane (kompleksi proteinov in lipidov)
- kromatin (kompleksi DNA in proteinov)
- ribosomi (kompleksi RNA in proteinov)
- citoskelet (vlaknate tvorbe iz proteinov)
- VIRUSI so nadmolekulski kompleksi. Večina vsebuje eno molekulo DNA ali RNA v proteinskem ovoju. Virusi se lahko razmnožujejo samo v gostiteljski celici, kjer prevzamejo kontrolo nad njenim metabolizmom tako, da vgradijo svoj genetski material (DNA oz. RNA) v celičnega in tako prisilijo celico, da proizvaja nukleinske kisline in proteine za sintezo novih virusov.
- CELICE so najvišja stopnja kompleksnih struktur.
CELICA
- PROKARIONTSKA CELICA je značilna za enocelične organizme, kot so bakterije in modrozelene alge, ki nimajo jedra in drugih celičnih razdelkov. Med prokarionti in eukarionti so ARHEJE (arhebakterije), ki uspevajo v vodnem mediju z visoko stopnjo kislosti, pri visoki temperaturi in visoki slanosti vodnega okolja. Pri arhejah so molekule proteinov in nukleinskih kislin stabilizirane na poseben način, sicer bi se njihova struktura porušila. Napogosteje preučevani prokariont je E.coli. To je paličasta bakterija, ki je sestavljena iz 4000 do 6000 različnih molekul, med katerimi je 3000 proteinov. Informacija za sintezo proteinov je shranjena v DNA E.coli.
- EUKARIONTSKA CELICA je značilna za razvite organizme (rastline, živali, glive, protozoji, kvasovke, alge), katerih celice imajo z membrano obdano celično jedro in jasno ločene in prepoznavne celične razdelke, ki jih imenujemo organeli.
Organeli v eukariontski celici:
- jedro
- endoplazemski retikulum
- ribosomi
- Golgijev aparat
- mitohondriji
- lizosomi in peroksisomi (imajo le živalske vrste)
- kloroplasti in glioksisomi (imajo le rastlinske vrste)
CITOSKELET sestavljajo proteini:
– mikrotubuli (tubulin)
– mikrofilomenti (aktin)
– filamenti (keratin)
Tabela 1. Značilnosti prokariontske in eukariontske celice.
PROKARIONTSKA CELICA | EUKARIONTSKA CELICA | |
VELIKOST
OBLIKA
MEMBRANA
CITOPLAZMA
JEDRO
KROMOSOM
ORGANELI ŽIV. C.
ORGANELI RAST. C.
CITOSKELET |
1 – 10 mm
KROGLASTA, PALIČNA SPIR
OBDANA S CELIČNO STENO, IMA MEZOSOME, POKRITA JE Z BIČKI IN PILIJI ZA PREMIKANJE IN RAZMNOŽEVANJE
SUSPENZIJA MOLEKUL, ENCIMOV IN DNA
NIMA, IMA LE NUKLEOTID (ZVITA DNA)
DA, ZVITI KROMOSOM = =GENOM
NIMA
NIMA
NIMA |
10 – 100mm
RAZLIČNA
PLAZMALENA IZ PROTEINOV IN LIPIDOV TER OGLJIKOVIH HIDRATOV
CITOSOL – PROTEINI, ENCIMI, SOLI V VODNEM MEDIJU
JEDRO Z JEDERNO OVOJNICO IN NUKLEUSOM SESTAVLJA GA DNA (HISTONI) IN RNA.
KROMOSOMI – GENETSKI MATERIAL DNA V KOMPLEKSIH S PROTEINI = =HISTONI
JEDRO, EPR, RIBOSOMI, GOLGIJEV APARAT, MITOHONDRIJI, LIZOSOMI, PERIKSISOMI
JEDRO, EPR, RIBOSOMI, GOLGIJEV APARAT, MITOHONDRIJI, KLOROPLASTI, GLIOKSISOMI VLAKNASTA STRUKTURA (mikro filamenti, mikrotubuli, veliki filomenti)
|
PRENOS BIOLOŠKE INFORMACIJE
V bioloških sistemih celice med sabo komunicirajo s pomočjo hormonov in nevrotransmiterjev. Proces pretoka informacij poteka preko DNA. Mehanizem prenosa signalov preko celične membrane je proces, v katerem se preko molekule, ki je na zunanji strani celične membran, informacija prenese v notranjost celice in tam sproži biološki učinek.
- Biološke informacije: za sintezo nukleotidov, za sintezo proteinov, za sintezo glikoproteinov, ….
- Genetska informacija je shranjena v strukturi makromolekule DNA in se prenaša s podvojevanjem DNA
- RNA nosi informacijo za sintezo proteinov. Ta informacija se v procesu transkripcije prenese iz DNA na m-RNA. DNA je preko informacije za sintezo proteinov povezana s potekom številnih kemijskih reakcij v celici.
Molekula DNA
Molekula sestoji iz dveh vijačnic, ki sta povezani v trodimenzionalno strukturo. Zunanji del strukture vijačnic sestavljajo ogljikovi hidrati in fosfatne skupine, ki so povezane s kovalentnimi fosfodiesterskimi vezmi. Organske baze ( adenin, timin, citozin, gvanin) so obrnjene v notranjost vijačnice in so naložene v spiralnem stopničastem zaporedju ena vrh druge. Baze obeh nasprotnih verig so povezane z vodikovimi vezmi. Optimalna ureditev vključuje povezavo andenina s timinom ter gvanina s citozinom.
Genetska informacija je shranjena v zaporedju nukleotidov. Človeški genom je 1m dolg in vsebuje 3 milijarde nukleotidnih baznih parov. V nasprotju pa je genom Ecoli, ki meri samo 2mm in vsebuje samo 4 milijone nukleotidnih parov.
REPLIKACIJA ALI PODVOJEVANJE DNA
Podvojevanje DNA je samousmerjevalen proces. DNA skupaj z nekaterimi proteini narekuje in usmerja sintezo identične DNA za naslednje generacije. Proces se prične z odvijanjem krajših segmentov dveh komplementarnih verig. Novi nukleotid, ki se vključuje v rastočo verigo, se najprej poveže z vodikovimi vezmi in van dr Waalsovimi silami preko baze s komplementarno bazo na matrici. Nato DNA- polimeraza katalizira kovalentno povezavo tega nukleotida z nukleotidom na rastoči verigi. V opisanem procesu se podvoji celotna molekula DNA.
Temeljne značilnosti replikacije:
- Biološka informacija v DNA se ohranja samo v procesu replikacije.
- Replikacija je sinteza identične DNA.
- Replikacijo katalizira encim DNA – polimeraza
- Replikacija je semikonservativno podvojevanje-prvotna genetska informacija se ohranja.
TRANSKRIPCIJA ALI PREPISOVANJE
Transkripcija –prenos dedne informacije iz DNA na Mrna. V procesu transkripcije se prepiše v RNA samo tisti del DNA, ki nosi informacijo za sintezo določenega proteina.
Temeljne značilnosti transkripcije:
- Prepis informacije za sintezo proteinov iz DNA na m-RNA.
- RNA-polimeraza je encim, ki povezuje nukleotide v molekulo RNA.
- Hibrid RNA-DNA se po končanem prepisovanju razdruži, sprosti se enoverižna matrica RNA, DNA pa se s komplementarno verigo poveže nazaj v dvojno vijačnico
Prepisovanje molekule DNA v RNA –tvorba proteinov
VRSTE RNA
vrsta RNA | relativna velikost | povezovanje baznih parov z OH | biološka funkcija |
prenašalna
ribosomska
informacijska
|
majhna
tri različne velikosti, večina velikih
različna |
da, precejšen del
da, precejšen del
ne |
aktivira in prinaša
aminokisline za sintezo proteinov
Skrbi za pripenjanje AK v proteinsko verigo
nosi informacijo za sintezo proteinov |
PROTEOM – celotna množica proteinov, ki se tvorijo v organizmu na osnovi kodirane informacije v genomski DNA.
Sinteza proteinov poteka na RIBOSOMIH.
Pri sintezi se ribosomi pomikajo po molekuli m RNA od 5‘ proti 3 ‘ koncu RNA. Transfer RNA skrbi zato, da se ustrezna aminokislina vključi v rastočo proteinsko verigo. Informacijska RNA je nestabilna, zato mora informacijo za sintezo proteina iz DNA hitro odkodirati. Ko je končano pripenjanje AK, se polipeptidna veriga sprosti v citoplazmo, se organizira v primarno, sekundarno ali terciarno strukturo proteina in potuje na primarno mesto delovanja (primeri: transferin, feritin, ceruloplazmin, transkobolamin, haptoglobin, mioglobin,hemoglobin, …)
GENOM – celotna količina genetske informacije določene celice, ki je shranjena v dolgi in tesno zviti makromolekuli DNA.
- GENOMÞGENI (sestava gena: EKSONI, INTRONI)
- EKSON:120 do 150 nukleotidnihbaz; to je kodirajoča regija DNA, kodira lahko 40-50 AK določenega proteina, eksoni so prekinjeni z introni.
- INTRON: 50-20000 nukleotidnih baz , to je nekodirajoča regija DNA ali odvečna DNA
- MUTACIJE-napake v replikaciji DNA, v ekson se vgradi napačen nukleotid. Prenos napačne informacije ima za posledico sintezo nefunkcionalnega Primeri : anemija srpastih celic, kjer se zaradi mutacije v genu za sintezo globinske verige tvori hemoglobin, ki ne veže kisika. To pri prizadeti osebi sproži razvoj anemije in prezgodnjo smrt.
- TIHA MUTACIJA: Če se napačen nukleotid vgradi v intron, govorimo o tihi mutaciji, ki nima vpliva na funkcionalnost določenega proteina in ni povezana s pojavom bolezenskega stanja.
GENETSKI KOD – GK
- zaporedje nukleotidnih baz v genu je v tripletih
- zaporedje treh nukleotidnih baz je KODON.Posamezen kodon sestavljajo tri sosednje baze na mRNA.
- GK vsebuje signala STOP in START.
GK- najpomembnejši. za sintezo proteinov.
ZNAČILNOSTI GK:
- 3 nukleotidi določajo eno AK
- 1 kodon (tri sosednje baze) se uporabi v procesu prevajanja samo 1x
- nukleotidi se berejo zaporedoma
- GK je degeneriran, za 1 AK je lahko več tripletnih kodonov
- GK vsebuje signale STOP in START
BIOLOŠKI SIGNALI IN RECEPTORJI
Biološke aktivnosti znotraj celice so usklajene z aktivnostmi zunaj celice preko kemičnih signalov. Prenašalci kemičnih signalov so signalne molekule: prostaglandini, hormoni in rastni dejavniki. Prenos bioloških signalov preko celičnih membran poteka s pomočjo signalnih molekul.
Primeri bioloških signalov, ki jih morajo prejeti določene celice tkiv so: signali za tvorbo proteinov in glikoproteinov, signali za prenos živčnih impulzov, in kontrakcijo mišic, …
Prostaglandini spadajo me lipide, so signalne molecule z lokalnim učinkom. Vplivajo na krčenje gladkih mišic in na strjevanje krvi.
Hormoni (peptidi, proteini, steroidi) so signalne molekule, ki nastajajo v žlezah z notranjim izločanjem in se prenašajo do tarčnih organov po krvnem obtoku. Poznamo hormone ščitnice (TSH, T3, T4), hormone pankreasa (insulin, glukagon), hormone skorje nadledvične žleze , spolne hormone, …
Prenos signala poteka tako, da se signalne molekule (hormoni) vežejo na specifične receptorje (posebne proteinske molekule na in v membrani celic). Z vezavo sprožijo tvorbo proteinov, prenos impulzov, prepisovanje DNA, …
Receptorje za vodotopne hormone sestavljajo trije deli:
- Ekstramembranski del: struktura receptorja na zunanji strani membrane
- Transmembranski del molekule
- Intracelični del receptorja, ki se nadaljuje v citoplazmo celice.
[wp_ad_camp_1]
VRSTE RECETORJEV
- stimulatorni
- inhibitroni
Prenos bioloških signalov poteka tako, da se hormon veže na receptor, pri čemer se spremeni struktura receptorja, ki se nato poveže G- proteinom, ta pa z adenilat ciklazo, ki sproži sproščanje cikličnega AMP, ta pa pretvorbo neaktivnega v aktivni protein in odziv celice. Odzivnost celice je lahko zvišanje koncentracije glukoze v celici, posledično več energije, ki služi za delovanje mišice.
CAMP – sekundarni obveščevalec, ki prenese biološki signal na tarčno mesto.
SEKUNDARNI OBVEŠČEVALCI so molekule, ki znotraj celice prenašajo sporočilo primanega obveščevaca, ki je običajno hormon.
CGMP in Ca2+ uravnavata procese znotraj celice.
Diacilglicerol in CAMP prenašata biološke signal na tarčno mesto.
CGMP-ciklični gvanozin monofosfat
CAMP-ciklični adenozin monofosfat,
Biološki procesi, ki so odvisni od prenosa signalov, se lahko aktivirajo oz inhibirajo z vnosom šibkih poživil: kava (kofein), čaj (teofilin), čokolada (teobromin), … Poživila delujejo tako, da inhibirajo encim cAMP-fosfodiesterazo, ki sodeluje pri razgradnji cAMP. Poseben primer so registrirana zdravila za prekinitev nosečnosti, ki delujejo tako, da se vežejo na progesteronske receptorje in inhibirajo normalno delovanje hormona.
VODA
Voda je nujno potrebna za vse oblike življenja, predstavlja 70 – 85 % celične mase,
Zunaj celične tekočine so vodne raztopine ( kri, CSF, slina, urin, solze, žensko mleko, ..)
Vloga vode v telesu:
- je topilo in reaktant
- uravnava telesno temperaturo
- uravnava koncentracijo vodikovih ionov in pH
- je glavna sestavina večine bioloških tekočin
- je reducent (vir elektronov, ki reducirajo CO2 v procesu pridobivanja glukoze)
- je produkt oksiredukcijskih reakcij
Vsebnost vode je v različnih organih človeškega telesa različna.
TKIVO ALI ORGAN | MASNI ODSTOTKI VODE (a) |
skeletne mišice
srce jetra ledvice vranica pljuča možgani |
79 b
83 b 71 81 79 79 77 |
a pri odraslih
b tkivo brez maščob
LASTNOSTI VODE
- Fizikalne: vrelišče, tališče, vizkoznost, relativna molekulska masa.
- Kemijske: pH, pK, polarnost, ionizacija, pufrska kapaciteta.
VODA JE BIOLOŠKO TOPILO. Raztaplja številne biološke molekule, ki jih najdemo v živih organizmih.
- V vodi so dobro topne: polarne snovi (alkoholi, amini, amidi, estri)
- V vodi so slabo topne: nepolarne (benzen).
- Polarne spojine so HIDROFILNE (vodikove vezi med polarnimi skupinami in vodo).
- Nepolarne spojine so HIDROFOBNE (v vodi so netopne, ker nimajo ionskih in polarnih skupin v strukturi svojih molekul)
- AMFIFILNE spojine imajo polarne in nepolarne skupine v strukturi molekul.
AMFIFILNE SPOJINE
Primer: Natrijev stearat (karboksilatni anion in C-veriga)
Tvorijo MICELE
MICEL-pomemben za nastanek bioloških membran.
REVERZIBILNA IONIZACIJA VODE
Voda predstavlja v celici selektivno reaktivno spojino. Najpomembnejša reakcija vode je reverzibilna ionizacija vode, pri kateri nastaneta: hidronijev ion ali H3O+ ali proton H+ in hidroksilni ion ali OH- . [H+] je koncentracija vodikovih ionov.
Obseg ionizacije vode vrednotimo s pH
- pH = – log [H+]
- Sörensen je pH definiral kot negativni desetiški logaritem [H+]
- [H+] =1 x 10-7 M ali pH = 7.
- lestvica pH od 0-14
Telesne tekočine imajo večinoma pH, ki je blizu nevtralnega območja (pH=7).
pH RAZLIČNIH TELESNIH TEKOČIN
MERJENJE pH
- steklena elektroda (umerimo z raztop. z znano vrednostjo pH )
- referenčna elektroda
- pH meter
pH, Ka, pK
- Ka-konstanta disociacije vode
- pK- negativni logaritem kisline
- Kisline – oddajajo proton
- Baze – sprejemajo proton.
- Disociacija kisline v vodi
- HA Þ H+ + A-
kislina baza
JAKOST KISLINE
Jakost neke kisline je merilo za težnjo, da odda H+ v vodni raztopini.
- Določimo jo iz konstante disociacije
- Ka = [H+] [A-] / [HA]
- Ka za ocetno kislino = 1,75 x 10-5
- Ka za NH4 = 5,62 x 10-10
- Negativni desetiški logaritem Ka je pKa = – log Ka in je v območju od 2 do
TITRACIJA KISLINE
- CH3COOH + NaOH CH3COO- Na+ + H2O
- kislina baza konjugirana baza
- Titracijska enačba ima prevoj na sredini – tam disociira natančno ena polovica molekul izhodne kisline.
- (CH3COOH = CH3COO-)
- V prevoju je pH enak pKa.
DOLOČANJE pKa – s titracijo
HENDERSONHASELBACHOVA ENAČBA
- Izračun HA in A- v vsaki točki titracijske krivulje
- pH =pKa (v prevojni točki TK)
- HHE – za oceno učinkovitosti puferskuh sistemov v telesu oz pH telesnih tekočin.
- Naravni puferni sistemi:fosfatni, bikarbonatni, proteinski in hemoglobinski pufer.
Potrebni so zato, da nevtralizirajo odvečne kisline in baze v telesu, da se lahko vzdržuje
normalni pH tel tekočin (7,35-7,45).
STALNI pH TELESNIH TEKOČIN
- H+ zunaj in znotraj celičnih tekočin je konstanten, spreminja se lahko znotraj zelo ozkih meja.
- Sprememba pH krvi za 0,2 do 0,6 pH enote Þsmrt
- Stalen pH telesnih tekočin je nujen za normalen potek encimskih
- Puferni sistemi nevtralizirajo odvečne organske kisline, nastale med presnovnimi procesi.
- ACIDOZA– respiratorna, metabolna (pojavi zaradi motenj v dihanju ali presnovi).
- ALKALOZA: respiratorna, metabolna (je posledica pretirane uporabe Na-laktata, bikarbonata, bruhanja,…)
- Metabolična acidoza: nezdravljeni diabetes (ketoza in protoni v krvi)
- Respiratorna acidoza: emfizem, astma ( CO2). Visoka konc. CO2 v pljučih povzroča respiratorno acidozo, nizka pa respiratorno alkalozo.
- Metabolična alkaloza: zaradi pretirane uporabe Na-laktata, bikarbonata, bruhanja,…
- Metabolična acidoza: povzroča jo pretirana hiperventilacija (prehitro dihanje ob histeriji, stresu, na višini).
Glavni puferski sistem v krvi in v drugih zunajceličnih tekočinah je konjugirani par ogljikova kislina-bikarbonat. Nevtralizira baze oz kisline, ki se v kri sproščajo v metabolnih procesih.
VZDRŽEVANJE STALNEGA pH TELESNIH TEKOČIN
Pri metaboličnih reakcijah nastajajo velike količine organskih kislin, ki jih nevtralizirajo telesni puferni sistemi. Pufrski sistem je najbolj učinkovit v območju, ko je pH enak pK.
Bikarbonatni pufer je učinkovit v območju pH= 5,4 – 7,4.
Fosfatni pufer je učinkovit v območju pH= 6,2 – 8,2.