A tárgy neve Meghirdető tanszék (csoport) Felelős oktató: Kredit Heti óraszám típus Számonkérés Teljesíthetőség feltétele Párhuzamosan feltétel Előfeltétel Helyettesítő tárgyak Periódus Javasolt félév Kötelező vagy kötelezően választható
BIOKÉMIA ALPJAI SZTE TTK Biokémiai Tanszék Dr. Kiss Jánosné Dr. Deér Aranka 2 2 Előadás Kollokvium
[Előfeltétel tárgyak neve, max. 3] BBIK011E Biokémia I., BBIK012E Biokémia II., BBIK051E Biokémia vegyészeknek és kémia tanároknak
Őszi félév 3. félév Kötelező: környezettudomány, környezettan tanár (nem biológia párral)
AJÁNLOTT IRODALOM
1. Elődi Pál: Biokémia, Akadémiai kiadó, Budapest, 1998. 2. Ádám – Dux – Faragó – Fésüs – Machovich – Mandl - Sümegi: Orvosi Biokémia 2002. 3. Bálint M. Molekuláris biológia I-II., Műszaki Könyvkiadó, Budapest 2000. 4. Bálint M. Molekuláris biológia III., Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest 2002.
A TANTÁRGY RÉSZLETES TEMATIKÁJA A biokémia alapjai tárgy oktatása során olyan alapfogalmakat, ismereteket adunk, mellyel a hallgatók alapokat kapnak az élő szervezetet felépítő elemektől, a biomolekulák szerkezet és funkciójának ismeretén keresztül a legfontosabb anyagcsere folyamatokig, illetve azok szabályozásáig. Ezen alapokra lehet majd építeni a genetikai, mikrobiológiai, növény-, és állatismereteket. Mindezen alapismeretek szükségesek az élő szervezetek biokémiai válaszreakcióinak megértéséhez, melyek valamilyen környezeti stresszhatásra következnek be. Az élő és élettelen rendszerek összehasonlítása Az élő szervezetet felépítő organogén elemek, összehasonlító jellemzése a földkéregben található elemekkel. A biomolekulák: fehérjék, szénhidrátok, lipidek, nukleinsavak rövid jellemzése, a biomolekulák hierarchiája. Az élő és élettelen rendszerek összehasonlítása. A víz szerepe a biológiai szerkezetek kialakulásában. Savak, bázisok, pufferek. A fehérjék szerkezete, szerkezet és funkció kapcsolata A fehérjék szerkezete, szerkezet és funkció kapcsolata. Az aminosavak szerkezeti tulajdonságai, oldallánc szerinti csoportosítása. Aminosavak nevezéktana, elektrokémiai és optikai tulajdonságaik, kimutatásuk és meghatározásuk ninhidrin színreakcióval. A peptidkötés kialakulása, mezoméria. Di-, tri-, tetra-, oligo-, polipeptid fogalma, N-, és C-terminális aminosavak fogalma, meghatározása (Sanger és Edman módszer). Fehérjék felépítése és térszerkezete. Fehérjék szerkezeti szintjei, konformáció típusok: elsődleges, másodlagos, harmadlagos és negyedleges szerkezet. A másodlagos szerkezet: csavarmenetes α-helikális és redőzött, βlemez. A domén fogalma, szupermásodlagos szerkezetek. A harmadlagos szerkezet kialakulása, a térszerkezetet stabilizáló kötések jellemzése. Negyedleges szerkezet jellemzése. A natív állapot kialakulása, a fehérjék feltekeredése. A harmadlagos szerkezettel rendelkező mioglobin és a negyedleges szerkezetű hemoglobin összehasonlító jellemzése. Fehérjék csoportosítása biológiai funkciójuk szerint. Vázfehérjék szerkezeti sajátosságai. Szerkezet és funkció közötti kapcsolat: α-keratin, βkeratin, kollagén, elasztin felépítése, jellemzése, tulajdonságai. A fehérjék tisztítási módszerei: gélkromatográfia, ioncsere, affinitás kromatografia, elektroforetikus eljárások. Elválasztási technikák elve, alkalmazhatóságuk fehérjék elválasztására, móltömegük meghatározására, kimutatásukra. Az enzimkatalízis Az enzimek, mint katalizátorok. Az enzimkatalízis lényege, a szabadenergia változása a nem katalizált és enzim által katalizált reakció során, az átmeneti 2
állapot kialakulása. Az enzim szerkezete, aktív centrum, szubsztrátkötő hely, katalitikus hely, apoenzim, koenzim, holoenzim, szubsztrát-, illetve reakció specifitás fogalma. Az enzim-szubsztrát komplex kialakulásának molekuláris mechanizmusa: kulcs-zár; induced fit; fluktuációs fit mechanizmusok. Az enzimreakciók sebességének jellemzése, enzimaktivitás egységek. Az enzimreakciók működését befolyásoló tényezők. A hőmérséklet és a pH hatása. Az enzimek osztályozása, az egyes osztályok jellemzése. Az enzimreakciók kinetikai jellemzése. A Michaelis-Menten féle kinetika (rapid equilibrium); a Briggs-Haldene féle kinetika (steady state). A Vmax és KM fogalma, meghatározása. Az enzimreakciók gátlása, szabályozása Az enzimek reverzibilis és irreverzibilis gátlása. A specifikus gátlások jelentősége. A reverzibilis gátlások típusai (kompetitív, nemkompetitív, unkompetitív és vegyes típusú gátlások). Az egyes gátlástípusok jellemzése. Negyedleges szerkezettel rendelkező enzimek allosztérikus szabályozása. Szekvenciális, Koschland-féle modell, illetve Monod féle, kooperatív, koncentrált modell. Koenzimek A koenzim és a prosztetikus csoport fogalma. A koenzimek csoportosítása. A fontosabb koenzimek és prosztetikus csoportok felépítése, szerepe és működése. A hidrogénátvivő koenzimek (NAD+, FAD, liponsav, koenzim Q, citokrómok), csoportátvivő koenzimek (ATP, mint koenzim, koenzim-A) szerkezete, működése. Koenzimek, mint vitaminok. Anyagcserefolyamatok Szénhidrátok Az energiaszolgáltató folyamatok áttekintése. Az energianyerés vázlata a három fő tápanyagkomponensből (fehérje, szénhidrát, lipid). A fontosabb szénhidrátok jellemzése. Monoszaharidok (aldózok, ketózok), di-, oligo- és poliszaharidok. A szénhidrátok anyagcseréje – lebontás. A glükóz központi szerepe a szénhidrátok lebontásában. A glikolízis részfolyamatai (1. szakasz: 6 szénatomos hexózok, 2. szakasz: 3 szénatomos intermedierek). A lépéseket kísérő energiaváltozás. Az egyes enzimatikus lépések (hexokináz, fruktózfoszfát kináz és piruvát kináz) allosztérikus és foszforilációs-defoszforilációs szabályozása a glikolízisben. A glükózlebontás energiamérlege. Az anaerob és az aerob glükózlebontás energiamérlegének összehasonlítása. Pasteur-effektus. Glükoneogenezis – a glükóz de novo szintézise. Irreverzibilis enzimatikus folyamatok (piruvát-karboxiláz, fruktóz-1, 6-biszfoszfatáz, glükóz-6-foszfatáz) a glükoneogenezisben. A Cori kör. Az inzulin és a glükagon fordított hatása a vércukorszintre. 3
Aktív acetát (acetil-CoA) keletkezése piruvátból oxidatív dekarboxilezéssel. A piruvát dehidrogenáz multienzimkomplex (piruvát dehidrogenáz, dihidrolipoil-transzacetiláz, dihidrolipoil-dehidrogenáz) működése. Koenzimek (CoA és NAD+) és prosztetikus csoportok (tiaminpirofoszfát, liponsav és FAD) az enzimkomplexben. Szabályozás kinázzal és foszfatázzal. A piruvát-dehidrogenáz csökkent működésének klinikai vonatkozásai (beriberi kór). Trikarbonsav ciklus reakciói és helye az intermedier anyagcserében. Szubsztrát szintű foszforiláció. A Szent-Györgyi – Krebs-ciklus katabolikus és anabolikus szerepe. A citrát ciklus szabályozása. Kiegészítő (feltöltő, anaplerotikus) reakciók. Glioxilsav ciklus. A biológiai energiafelszabadítás A terminális oxidáció folyamata. A mitokondriumok felépítése, szerepe. Proton- és elektrontranszport a mitokondriumok belső membránján. Oxidációs energia átalakulása kémiai kötési energiává (nagy energiájú foszfátkötés keletkezése, oxidatív foszforilálás). Az ATP szintetizáló komplex komponensei, az ATP szintetáz elhelyezkedése, működése. Fontosabb oxidációs átalakulások standard redoxpotenciál értékei. Redoxpotenciál-változás és a szabadenergia-csökkenés összehasonlítása a terminális oxidáció lépéseiben. Az elektrontranszportlánc alkotói (NADH-Q reduktáz, CoQ, citokróm reduktáz, citokróm-c, citokróm oxidáz). Elektronhordozók a légzési láncban. Az energiaképző folyamatok lokalizációja és integrációja. Reaktív oxigénszármazékok eliminálása. Kémiai- és konformációs kapcsolási hipotézisek. Mitchell-féle kemiozmotikus elmélet. Az extramitokondriálisan képződött NADH sorsa (transzport a citoszolból a mitokondriumba) – ingarendszerek (malát – aszpartát, és glicerol-foszfát – dihidroxi-aceton-foszfát rendszer). A fotoszintézis biokémiai alapjai, az I. és II. fotórendszer működése. A széndioxid megkötése és ”szénhidráttá redukálása", a Calvin ciklus. A fontosabb oligo- és poliszaharidok szerkezete, anyagcseréjük. Glikogénanyagcsere. A glikogén szerkezete. A glikogén lebontásában résztvevő enzimek működése (foszforiláz, transzferáz, glükozidáz). A glikogén szintézise. A lebontás és szintézis hormonális szabályozása. Lipidek A lipidek általános jellemzése, szerkezeti sokfélesége (telített, telítetlen zsírsavak (esszenciális zsírsavak), neutrális zsírok, foszfolipidek, szfingolipoidok (ceramid, szfingomielin, glikolipidek), izoprén származékok (terpének, karotinoidok szteránok (szterinek, epesavak, hormonok)), prosztaglandinok, zsíroldékony vitaminok). Elszappanosítható és nem elszappanosítható lipidek. Lipidek szerepe az élő szervezetben (gazdaságos üzemanyagok, membránok szerkezeti elemei, védőanyagok, bioaktív vegyületek). Lipolízis – a raktározott zsírsavak mobilizálása a zsírszövetből. A lipáz aktiválása. Zsírsavak aktiválása. Karnitin szerepe. A páros szénatomszámú telített zsírsavak β-oxidációja (acil-CoA-dehidrogenáz, ∆2-transz-enoil-CoA-hidratáz, L-3hidroxi-CoA-dehidrogenáz, tiolízis). A palmitinsav lebontásának energiamérlege.
4
A páratlan szénatomszámú és a telítetlen zsírsavak oxidációja. Ketontestek keletkezése és felhasználása (éhezés, diabetes). Zsírsavak egyéb oxidációs útjai. Zsírsavak bioszintézise. Acetil-CoA transzportja a mitokondriumból a citoplazmába. Emlős zsírsav szintetáz komplex jellemzése (acetil-transzferáz, malonil-transzferáz, kondenzáló enzim, dehidratáz, enoil-reduktáz, ketoacilreduktáz, acil carrier protein (ACP), tioészteráz), redukciós lépések. A felépülő zsírsavlánc „ingajárata” az ACP-SH és a kondenzáló enzim SH- csoportjai között. A NADPH forrása. A zsírsavlánc elongációja. A zsírsav szintézis szabályozása az acetil-CoA karboxilázon keresztül. Aminosav -anyagcsere Az aminosav-anyagcsere általános ismertetése. A táplálékból származó aminosavak. A fehérjék emésztése proteázokkal (pepszin, tripszin, kimotripszin, elasztáz, karboxipeptidáz A). A fehérjeemésztő enzimek aktivitásának szabályozása (inaktív prekurzorok, proteáz inhibítorok). Az endogén fehérjék lebontása; lizoszómákban katepszinekkel (receptormediált endocitózis) és ubikvitinhez kötődve a 26S proteaszómával (ATP-függő fehérjeemésztés). Anyagcserezavarok; enzimopátiák (fenilketonuria). Aminosavak lebontásának közös reakciói: transzaminázok (GOT, GPT), oxidatív dezaminálás: glutamát dehidrogenáz működése. Aminosavak szénláncának lebomlása, kapcsolata a trikarbonsav körrel. Nukleinsavak, felépítésük, bioszintézisük A nukleinsavak építőkövei: mononukleotidok: purin és pirimidin bázisok, nukleozidok nukleotidok. Polinukleotidok: dezoxiribonukleinsavak. A DNS elsődleges, másodlagos szerkezete. A Watson-Krick modell, A, B, és Z DNS. A DNS másodlagos szerkezetének vizsgálata, hiperkróm, hipokróm effektus. A DNS harmadlagos szerkezete: relaxált körkörös, katenált, szuperhelikális. A Ribonukleinsavak felépítése. A ribonukleinsavak típusai: mesenger, riboszómális és transzfer RNS-ek és funkcióik. Különbségek a DNS és RNS elsődleges és másodlagos szerkezetében. A replikáció DNS, mint genetikai információs anyag tulajdonságai, bázisok komplementaritása. A DNS bioszintézise: a replikáció mechanizmusa. A replikáció szemikonzervatív módjának bizonyítása (Meselson-Stahl modell). A helikázok funkciója. A topoizomeráz I és II szerepe az E. coli DNS replikációjában. A prokarióták DNS függő DNS polimerázai: a DNS polimeráz I, II és III szerkezete és funkciója a replikációban. A DNS ligáz szerepe. A replikáció pontossága. A DNS bioszintézise eukarióta sejtekben. A DNS hibák javítása. A DNS homológ rekombinációja. A transzkripció A centrális dogma: a ribonukleinsavak szintézise és szerepe. A ribonukleinsavak bioszintézise, transzkripció. A nukleinsavak bioszintézisének
5
általános vonásai. A prokarióta RNS polimeráz felépítése és az alegységek funkciói. Az RNS láncnövekedés iránya, a transzkripciós „buborék". Promóter szekvenciák jellemzése pro- és eukarióta szervezetekben. Az RNS szintézis szakaszai: iniciáció, elongáció és termináció. A rho faktor szerepe a terminálásban. Az RNS bioszintézis mechanizmusa, eltérések és hasonlóságok a DNS bioszintézishez képest. A transzkripció inhibitorai. A ribonukleinsavak post-transzkripciós átalakulásai. Az mRNS-ek módosulásai: cap-kialakulás. poli-A kapcsolás és jelentősége eukarióta szervezetekben. Funkcionális tRNS-ek képződése, módosulásai. Az eukarióta sejtekben folyó RNS bioszintézis sajátosságai. A nukleinsavakat bontó nukleázok, DN-áz RN-áz enzimek. Az exon és intron fogalma, a funkcionális RNS-ek kialakulásának mechanizmusai: splicing. A katalitikus RNS-ek és szerepük az evolúcióban. A genetikai kód megfejtése, a kód triplett voltának igazolása (a Nirenberg kísérlet, az Ochoa féle enzim). A genetikai kód jellemzői: degenerált, átfedés-mentes, vesszőmentes, univerzális. A kodon-antikodon felismerés. A „lötyögő” illeszkedés lényege és következménye. Stop kodonok. A szupresszor tRNS-ek. A genetikai kód evolúciója. A transzláció A fehérjék bioszintézise, transzláció. Aminosavak aktiválása, aminoacil-tRNS szintetázok jellemzése. A tRNS-ek általános jellemzői. Prokarióta riboszómák felépítése, kötőhelyek a riboszómán. Az mRNS leolvasásának és a fehérjeszintézisnek az iránya. Polipeptid lánc bioszintézise prokariótákban: iniciáció, elongáció és termináció. A start kodon. A Shine-Dalgarno szekvencia szerepe. Fehérje faktorok szerepe a bioszintézis egyes szakaszaiban (iniciáciációs, elongációs és release faktorok). Peptidil transzferáz reakció. A fehérjeszintézis mechanizmusa, sebessége és hibamentessége. Antibiotikumok hatása a fehérjeszintézisre. Fehérjék poszt-transzlációs módosulásai. Eukarióta riboszómák felépítése. A fehérjebioszintézis sajátosságai eukariótákban. Génaktivitás szabályozása A génexpresszió szabályozása prokariótákban. Az operon mint a koordinált génexpresszió egysége, a Jacob és Monod modell. Represszor, induktor és korepresszor fogalma. Represszor fehérje szerkezete, funkciója. A Lac operon felépítésének és működésének sajátosságai. A génstruktúra és a génkifejeződés szabályozása eukariótákban: A DNS szerkezete a sejtmagban: a kromoszóma struktúrája. A kromatin felépítése, nukleoszóma szerkezetek. Hiszton és nem hiszton fehérjék szerepe a DNS „csomagolásában" és az információ átvitelben. A DNS komplexitása és a C-érték paradoxon. Repetitív DNS szekvenciák.
6
