POJEM, ROZDĚLENÍ A VÝZNAM BIOCHEMIE Biochemie – nauka o životě, zkoumá životní projevy chemickými metodami, spojení biologie a organické chemie, vznik ve 30. letech 20. století. a) Popisná (statická biochemie) – popisuje chemické látky, z nichž je tvořen organismus b) Dynamická biochemie – studuje metabolické přeměny látek V 50. letech (1944) bylo zjištěno, že nukleové kyseliny jsou nositelem genetické informace (NK byly objeveny v r. 1869). V roce 1953 byla Watsonem(USA) a Crickem(GB) popsána struktura NK a byl objasněn problém genetického kódu, tj. instrukce pro pořadí AMK v molekulách bílkovin. V rámci biochemie se formují další vědní discipliny: Molekulová genetika – uchovávání a přenos genetické informace Xenobiochemie – studium osudu cizorodých látek v organismu Farmakobiochemie – studium farmakologických účinků biologicky aktivních látek Enzymologie Imunochemie – využití interakce antigen – protilátka Klinická biochemie – analýza tělních tekutin pro účely diagnostiky nemocí Forenzní genetika – hledání pachatelů, určování otcovství, identifikace obětí po přírodních katastrofách, hledání ideálního dárce orgánu pro transplantaci
1. BIOCHEMIE STATICKÁ 1.1 Základní prvky, anorganické a organické látky v živých organismech Živé organismy se skládají z neživých molekul, které jsou tvořeny biogenními prvky: c) Makrobiogenní (>1%) O,C, H, N, P, Ca d) Oligobiogenní (0,05 – 1%) S, K, Na, Mg, Cl, F, Fe e) Mikrobiogenní a stopové Mn,Co, Cu, Zn, B, Al, V, I, Si, Mo, Se, Sn, Ni, Cr Živé soustavy obsahují jen ty prvky, které jsou obsaženy v zemské kůře, odlišnost je pouze v kvantitativním zastoupení. Živé soustavy se od neživých liší: a) látkovou přeměnou (uvnitř organismu i mezi organismem a okolím) b) schopnost komunikace organismu s okolím c) stálost vnitřního prostředí (homeostáza) – schopnost organismu udržet pH, teplotu a osmotický tlak ve velmi úzkém rozmezí hodnot bez ohledu na vnější prostředí d) adaptace e) reprodukce f) časově omezená existence Anorganické látky a) voda – „bez vody není života“ – organismus obsahuje asi 60 – 95% vody všechny biochemické pochody probíhají ve vodě, voda je dobrým rozpouštědlem ostatních anorganických létek a některých organických,
1
udržuje vhodnou teplotu pro biochemické procesy (má vysokou tepelnou kapacitu a vysoké povrchové napětí) vytváří hydratační obal koloidních částic b) anorganické soli (chloridy, hydrogenuhličitany, fosforečnany, sírany) – uplatňují se při biochemických procesech, např. udržení acidobazické rovnováhy, hospodaření s Ca, atd. Organické látky a) živiny sacharidy lipidy bílkoviny b) biokatalyzátory enzymy vitaminy hormony c) nukleové kyseliny d) alkaloidy e) steroidy f) terpeny
1.2 Sacharidy Jsou přírodní organické látky, rozšířené především v rostlinách, kde tvoří součást buněčných stěn a plní funkci zásobních látek. Tvoří se z CO2 a H2O účinkem slunečního záření v přítomnosti chlorofylu v listech zelených rostlin složitými chemickými ději, které se nazývají fotosyntéza. 6CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6O2 Dělení sacharidů: a) monosacharidy triósy tetrósy podle počtu atomů C
aldósy
pentósy
podle funkční skupiny
hexósy
ketósy
b) oligosacharidy c) polysacharidy
2
1.2.1 Monosacharidy (oxidační produkty vícesytných alkoholů) Názvosloví: předpona aldo- nebo keto- + kmen řecké číslovky, vyjadřující počet atomů C + koncovka –ósa Vzorce se zapisují pomocí Fischerovy projekce. Nejjednoduššími triósami je glyceraldehyd a dihydroxyaceton. Glyceraldehyd obsahuje chirální /asymetrický/ atom C, a proto je možno od něho odvodit dvě genetické řady sacharidů ( D- a L-) tak, že mezi aldehydickou skupinu a – OH skupinu na druhém C vsuneme další –OH dvěma způsoby a dostáváme nové chirální centrum. H
OH
O
H
O
OH
OH
OH
dihydroxyaceton
D-glyceraldehyd
O
O
H
OH
HO
H
OH
H
OH
D-erythrósa
H OH
OH
D-threósa
Chování pentós a hexós lépe vystihují cyklické struktury. Pentósy odvozujeme od furanu→furanósy a hexósy od pyranu→pyranósy. H
O
OH 1
1
OH
H
2
OH
OH
H
3
OH
4
OH
H
4
5
OH
H
5
H
2
H
3
H H
6 5
H O OH
OH
4
H
HO
H
O H H
1
3
2
OH
OH
OH
6
6
OH
Fischerův vzorec
OH
Tollensův vzorec
Haworthův vzorec
Poloacetalový hydroxyl –OH skupina na 1. C u aldós nebo na 2.C u ketós. Mají-li sacharidy volný poloacetalový hydroxyl, jsou schopné vyredukovat kovovou měď z Fehlingova činidla –
3
redukující sacharidy. Dojde-li k zániku poloacetalového hydroxylu, sacharid ztrácí redukční vlastnosti – neredukující sacharid. Poloacetalový hydroxyl je reaktivnější než ostatní hydroxyly, k jeho zániku může dojít při vzniku glykosidové vazby /vazba mezi jednotlivými monosacharidy/. Anomer α – poloacetalový hydroxyl u D stereoizomerů směřuje pod úroveň cyklu /u L stereoizomerů nad úroveň cyklu/ Anomer β – poloacetalový hydroxyl u D stereoizomerů směřuje nad úroveň cyklu /u L stereoizomerů pod úroveň cyklu/ Důležité monosacharidy O 1
H
2
OH
H
3
OH
H
4
HO
5
OH
OH
O
4
H
H 1
H
3
2
OH
OH
5
H
OH
β-D-ribofuranósa – strukturní základ RNA
D-ribósa
O 1
H
2
H
H
3
OH
H
4
HO 5
OH
O
4
H
H
3
OH
5
OH H 1 2 H H
OH
2-deoxy-D-ribósa
2-deoxy-β-D-ribofuranósa – strukturní základ DNA
4
O 1
H
2
OH
HO
3
H
OH
6
H H
4
OH
4
H
5
OH
HO
5
H OH H
OH 1
3
2
H
OH
OH
6
OH
α-D-glukopyranósa
D-glukósa
D-glukósa – hroznový cukr – bílá, krystalická látka dobře rozpustná ve vodě, obsažena v ovoci,medu a krvi, je součástí mnoha oligo- a polysacharidů, významný zdroj energie – vodné roztoky se formou infuze vkapávají přímo do krve. O 1
H
2
OH
OH
6
HO
3
H
HO
4
H
H
5
OH
HO
5
OH
4
H OH H
H
3
2
H
OH
1
OH
6
OH
D-galaktósa – součást mléčného cukru obsažena v agaru
α-D-galaktopyranósa
OH 1 2
O
HO
3
H
H
4
OH
5
OH O H HO 2
H
5
OH
H
4
3
OH
H
HO
6
6
OH
D-fruktósa – ovocný cukr – nejsladší obsažen v medu
β-D-fruktofuranósa
5
1
OH
1.2.2 Oligosacharidy /obsahují 2 – 10 monosacharidů spojených glykosidovou vazbou/. a) redukující – alespoň jeden poloacetalový hydroxyl zůstává zachován
OH
6 5
H
O H
H
4
H
3
2
H
OH
5
H
O H
H
4
1
OH
HO
OH
6
OH
H
1
3
2
OH
H
OH
O
OH
OH
6 5
HO
O
H
5
H
4
OH
H
1
H
3
2
H
H
OH
O
4
H
O OH H
1
3
2
H
H
OH
OH
. Maltósa – sladový cukr – vzniká spojením dvou molekul D-glukopyranós /jedna molekula je α-anomer, druhá molekula může být α nebo β anomer/, používá se při výrobě piva.
Laktósa – mléčný cukr – vzniká spojením β-D-galaktopyranósy a D-glukopyranósy /mohou být oba anomery, protože poloacetalový hydroxyl není použit na tvorbu glykosidové vazby/
Rafinósa- vzniká spojením α-D-galaktopyranósy, α-D-glukopyranósy a β-D-fruktofuranósy. Je obsažena v semenech bavlníku, sojových bobech, v malém množství i v cukrové řepěa hromadí se při výrobě sacharósy v melase.
b) neredukující - poloacetalové hydroxyly obou monosacharidů byly použity na glykosidovou vazbu. 6 5
H 4
HO
OH
Sacharósa – řepný, třtinový cukr – vzniká spojením α-D-glukopyranósy a β-D-fruktofuranósy, v potravinářství nejběžnější cukr, v kyselém prostředí hydrolyzuje (tj. štěpí se na monosacharidy), štěpení je doprovázeno změnou otáčivosti. Hydrolyzovaná sacharósa = invertní cukr – tvoří podstatu medu, který vzniká ze sacharósy enzymovou hydrolýzou v útrobách včel.
O H
H
1
OH
H
3
2
H
OH O
HO 6 5
H
O HO
2
H
4
3
1
OH
H
OH
6
1.2.3 Polysacharidy Nejrozšířenější skupina sacharidů, které vznikají polykondenzací monosacharidů. Na vazbách se podílejí poloacetalové hydroxyly → polysacharidy nejsou redukujícími sacharidy. Homopolysacharidy - monosacharidické jednotky jsou stejné Heteropolysacharidy – různé monosacharidické jednotky 1. Stavební polysacharidy – nerozpustné ve vodě, tvoří součást buněčných stěn Celulósa – makromolekulární látka složená z glukopyranós. V přírodě se vyskytuje v bavlníkových vláknech, lnu, konopí a dřevě. Pro člověka je nestravitelná a doputuje do tlustého střeva téměř neporušena, má příznivý vliv na peristaltiku střev a očistu vnitřních stěn. Využití –obvazový materiál, viskózové hedvábí, celofán, nitrolaky, střelný prach /nitrocelulósa/. Hemicelulósa – obsahuje různé monosacharidy. Chitin – skládá se z 2-acetylamino-2-deoxy-D-glukopyranós. Dodává pevnost krunýřům korýšů, želv, krovkám hmyzu, tvoří buněčnou stěnu některých hub a řas. Pektin – monosacharidickými jednotkami je kyselina galakturonová, její estery a rhamnósa. Získává se z plodů rybízu, jablek, citrusových plodů a řepných řízků. Používá se k výrobě džemů a rosolů. 2. Zásobní polysacharidy – ve vodě zčásti nebo úplně rozpustné Škrob – vzniká jako hlavní metabolický produkt v chloroplastech listů zelených rostlin, poté se složitým mechanismem převede na rozpustné sacharidy, z nichž je v jiných částech rostlin /hlíza, oddenek, plod/ syntetizován zásobní škrob, který se ukládá v podobě škrobových zrn v amyloplastech. Skládá se ze dvou řetězců: Amylósa – nevětvené makromolekuly, tvar šroubovice, nerozpustná ve studené vodě, jódem se barví modře. Amylopektin – větvený řetězec, vlivem větvení není schopen tvořit šroubovici, rozpustný ve studené vodě, jódem se barví červenohnědě. Škrob je důležitou látkou pro výživu, obsažen hlavně v bramborách, obilí a rýži, používá se k výrobě lepidel a ethanolu. Glykogen - /živočišný škrob/, uložený hlavně v játrech a ve svalech, ale též v houbách a kvasinkách. Má podobnou strukturu jako amylopektin, ale je více větvený. Inulin – je tvořen z fruktofuranós, obsažen hlavně v topinamburech, čekance a artyčoku. Využívá se ve stravě diabetiků. Dextrany – jsou tvořeny z glukopyranós, získávají se z některých mikroorganismů a řas, jsou rozpustné ve vodě a někdy se využívají jako náhražka krevní plasmy, jejich schopnosti rosolovatět se využívá se pro výrobu potravinářské želatiny. Agar – je tvořen z galaktopyranós, produkt některých řas, používá se ve formě gelu k přípravě kultivačních půd v mikrobiologii.
7
1.3 Lipidy Jsou organické sloučeniny produkované rostlinnými i živočišnými organismy. Jsou to estery vyšších mastných monokarboxylových kyselin a alkoholu. Jsou součástí všech buněk, kde mají funkci stavební /tvoří buněčné membrány/ a zásobní /spálením 1g tuku se uvolní energie 39 kJ, spálením 1 g sacharidu asi 17 kJ/. Společným znakem všech lipidů je jejich hydrofóbnost, dobře se rozpouštějí v nepolárních rozpouštědlech – éter, chloroform, atd.
tuky Jednoduché lipidy
oleje vosky
fosfolipidy Složené lipidy (lipoidy)
glykolipidy lipoproteiny izoprenoidy - mají některé vlastnosti lipidů, ale jinou chemickou strukturu
1. Tuky – estery glycerolu a vyšších mastných kyselin, převažují kyseliny nasycené. Zpravidla jsou esterifikovány všechny tři hydroxylové skupiny, hovoříme proto o triacylglycerolech. Kyselina palmitová CH3(CH2)14COOH Kyselina stearová CH3(CH2)16COOH CH2 – OH | esterifikace CH – OH + 3 R – COOH | CH2 – OH
CH2 – O – CO – R | CH - O – CO – R + 3 H2O | CH2 – O – CO – R
Alkalická hydrolýza tuků = zmýdelňování tuků – var tuku s alkalickým hydroxidem a jeho následné vysolení. CH2 – O – CO – R CH2 – OH | | CH - O – CO – R + 3 NaOH → CH - OH + 3 R - COOH | | CH2 – O – CO – R CH2 – OH Žluknutí tuků – působením tepla a světla dojde k oxidaci tuku na glycerol a vyšší mastné kyseliny. Glycerol se dále oxiduje na akrolein a vyšší mastné kyseliny se štěpí na nižší, z nichž převažuje kyselina máselná.
8
Potraviny přijaté nad normální potřebu se z velké části přeměňují v tuky a ukládají se v podkožní tkáni, vzniká obezita. V době nedostatečného přísunu potravin dochází k odbourávání tuků, tzn. tuky jsou látky rezervní. 2. Oleje – estery glycerolu a vyšších mastný nenasycených kyselin¸ Kyselina olejová: CH3 (CH2)7 CH = CH (CH2)7 COOH Kyselina linolová: CH3 (CH2)4 CH = CH CH2 CH = CH (CH2)7 COOH Kyselina linoleová: CH3 CH2 CH = CH CH2 CH = CH CH2 CH = CH (CH2)7 COOH Kyselina arachidonová: CH3 (CH2)4 CH = CH CH2 CH = CH CH2 CH = CH CH2 CH = CH (CH2)3 COOH Nenasycené mastné kyseliny jsou nepostradatelnou složkou potravin a původně se myslelo, že savci neumějí syntetizovat linolovou, linoleovou a arachidonovou kyselinu, proto byly tyto kyseliny označeny názvem vitamin F. Později se ukázalo, že za esenciální je možno považovat pouze kyselinu linolovou. Oleje mohou být původu rostlinného /slunečnicový, mandlový, olivový, atd/ nebo živočišného /tuk z rybích jater/. Dvojné vazby nenasycených mastných kyselin mohou být též hydrogenovány, čímž dochází ke vzniku polotuhých a tuhých tuků – tento proces se nazývá ztužování. CH3 (CH2)7 CH = CH (CH2)7 COOH + H2 → CH3 (CH2)16 COOH 3. Vosky – směsi esterů vyšších mastných kyselin a jednosytných alkoholů. Jsou nerozpustné ve vodě, chemicky stálé - nepodléhají enzymatické hydrolýze /pro živočichy jsou nestravitelné/. Vosky mohou být jak rostlinného /tvoří ochrannou vrstvu na listech a plodech/, tak i živočišného původu /včelí vosk, lanolín, vorvaňovina z dutiny lebeční vorvaně/. Využití vosků – kosmetika, leštící pasty, výroba svíček, lékařství 4. Fosfolipidy /fosfatidy/ – estery glycerolu nebo sfingosinu a mastných kyselin, obsahují zbytek kyseliny fosforečné a mohou obsahovat též N-atom /z aminokyseliny serinu/. Ve vodném roztoku se fosfolipidy shlukují tak, že vytvářejí micelu /dutý útvar, v němž jsou lipidy přítomny v charakteristické dvojvrstvě, kdy nepolární řetězec směřuje dovnitř a polární části zůstávají na povrchu/. Tato struktura je principem plasmatické membrány, která je polopropustná – propouští malé nepolární molekuly, ale velké a polární zadržuje. Kromě buněčných membrán se fosfolipidy vyskytují též v játrech, ledvinách a ve vaječném žloutku. Sfingosin
NH2 | CH3 (CH2)12 CH = CH CH CH CH2 | | OH OH 5. Glykolipidy – estery glycerolu nebo sfingosinu a mastných kyselin, obsahují glukósu nebo galaktósu a mohou též obsahovat sulfáty /cerebrosidy a gangliosidy /. Vyskytují se v játrech, slezině, v buněčných membránách a v šedé kůře mozkové. Při nedostatečném odbourávání glykolipidů dochází k poruchám v činnosti nervové soustavy. 6. Lipoproteiny – vznikají spojením lipidů a bílkovin, jsou základní součástí buněčných membrán.
9
Peptidy a bílkoviny
1.4
Bílkoviny jsou makromolekulární látky, jejichž relativní molekulová hmotnost může dosahovat až několik miliónů, na Zemi nebyla doposud zjištěna žádná forma života, která by neobsahovala bílkoviny → bílkoviny jsou základními stavebními kameny živé hmoty. Funkce bílkovin: stavební /stavba orgánů, tkání, chlupů, vlasů, nehtů, atd./ katalytická /enzymy – nejpočetnější skupina bílkovin/ transportní /hemoglobin transportuje kyslík, cytochromy přenášejí elektrony např. v dýchacím řetězci, atd/ obranná /imunoglobuliny zodpovědné za imunitní odpověď a fibrinogen zajišťující srážení krve a ochranu proti vykrvácení/ regulační /hormony a receptory, které vážou signální molekuly – např. hormony - a mohou být vázané v buněčné membráně nebo rozpuštěné v cytosolu/ nutriční Rostliny si všechny potřebné aminokyseliny vytvářejí samy, živočichové jsou schopny syntetizovat jen některé /relativně postradatelné/, ostatní musí přijímat potravou /nepostradatelné = esenciální aminokyseliny/ Esenciální AMK: 1. Valin 2. Leucin 3. Isoleucin 4. Lysin 5. Methionin
6. 7. 8. 9. 10.
Threonin Fenylalanin Tryptofan Histidin /esenciální pouze v dětství/ Arginin /esenciální pouze v dětství/
Složeny z 20 kódovaných α - L – AMK, které jsou vzájemně pospojovány peptidovou vazbou. V některých bílkovinách byly nalezeny kromě 20 základních i jiné, např. hydroxyprolin. peptidy polypeptidy bílkoviny
= 2 – 10 molekul α-AMK = 11 – 100 molekul α-AMK = více než 100 molekul α-AMK
Vazby v bílkovinách:
peptidická vazba
R2 | R1 – CH – COOH + R2 – CH –COOH → R1 – CH – CO – NH – CH + H2O | | | | NH2 NH2 NH2 COOH
H – můstek S – můstek mezi dvěma molekulami cysteinu iontové vazby mezi skupinami NH3+ a COO- a polárními zbytky Van der Waalsovy síly
10
Struktura bílkovin:
primární – je dána pořadím /sekvencí/ α-AMK v řetězci, je pro každou bílkovinu charakteristická a je dána geneticky.
sekundární – prostorové uspořádání peptidického řetězce α-helix – zbytky AMK vyčnívají na jednu stranu řetězce, který je obtočen podle pomyslného válce ve formě pravotočivé šroubovice tak, že na jeden závit připadne 3,7 AMK. Zbytky AMK ční vně šroubovice. β-struktura skládaného listu Část řetězce může mít strukturu helixu, část skládaného listu. Šroubovice i skládaný list jsou stabilizovány H-můstky, S-můstky, iontovými vazbami i Van der Walsovými silami.
terciární – sbalení peptidického řetězce v prostoru tak, aby vznikl energeticky nejvýhodnější útvar.
kvarterní – vznik složitého agregátu, který vzniká propojením jednotlivých peptidických řetězců. Mají jen některé bílkoviny
11
Bílkoviny jsou citlivé na teplo, světlo, extrémní hodnoty pH a na přítomnost některých organických látek . Jejich působením nastává denaturace /zůstává zachována pouze primární struktura/, denaturované bílkoviny ztrácejí svoji funkčnost. Výživná hodnota denaturovaných bílkovin se nemění, jsou však stravitelnější. Denaturace může být jev vratný – renaturace, ale bílkovina zaujme obvykle jinou konformaci, renaturovaná bílkovina má tedy jinou funkční podobu než původní. Dělení bílkovin: globulární -
albuminy - bílek, krev, mléko
/sferoproteiny/
globuliny - bílek, krev, mléko gluteliny - zrna obilovin - součást lepku prolaminy - rostliny - součást lepku protaminy - spermie ryb
jednoduché /pouze AMK/
histony - buněčná jádra Sferoproteiny - rozpustné ve vodě, na povrch vyčnívají polární skupiny, peptidický řetězec je skryt uvnitř globule
fibrilární -
kolageny - chrupavky - způsobují rosolovatění
/skleroproteiny/
keratiny - vlasy, chlupy, nehty elastiny - šlachy, kůže fibriny - vznikají z fibrinogenu obsaženého v krevní plasmě
Skleroproteiny mají strukturu lana, nerozpustné ve vodě, mají většinou podpůrnou funkci
fosfoproteiny - obsahují kys. fosforečnou nukleoproteiny - obsahují nukleové kyseliny složené /AMK + prost. sk./
glykoproteiny - obsahují sacharid lipoproteiny - obsahují lipidy metaloproteiny - obsahují kovy
12
1.5
Enzymy
Jsou biokatalyzátory většinou bílkovinné povahy, které katalyzují metabolické přeměny v organismu. Názvosloví enzymů: a. Triviální – pepsin, trypsin, katepsin, ptyalin, atd. b. Polotriviální /doporučené/ - názvy jsou tvořeny názvem substrátu nebo typem reakce + koncovka –ása /lipása, sacharása, dehydrogenása, atd./ c. systematické názvosloví – enzymy jsou rozděleny do šesti enzymových tříd, dále podtříd a pod-podtříd podle své substrátové a účinkové specifity. V každé podpodtřídě má každý enzym své pořadové číslo, tzn. každý enzym je charakterizován čtyřmístním číselným kódem. Dělení do tříd je děláno podle typu katalyzované reakce. 1. Oxidoreduktásy – katalysují redox reakce NAD+ CH3CH2OH
NADH+H+ CH3CH=O
2. Transferásy – katalyzují přenos chemických skupin z donoru na akceptor ATP glukósa
ADP glukósa - 6 - fosfát
3. Hydrolásy – katalyzují hydrolytické štěpení vazeb. 2O sacharósa H glukósa + fruktósa
4. Lyásy – katalyzují nehydrolytické štěpení vazeb, např. dekarboxylace karboxylových kyselin. 5. Izomerásy – katalyzují izomerace, např. glukósa → fruktósa 6. Lygásy – katalysují spojení dvou molekul, k němuž se dodává energie štěpením ATP nebo GTP Podle Enzymové komise Mezinárodní unie biochemie /Enzyme Commision of International Union of Biochemistry/ se každý enzym nachází v Enzymovém katalogu, např. EC 1.1.1.1 je alkoholdehydrogenása./ Rozdělení enzymů: 1. Jednosložkové – skládají se pouze z bílkoviny, která je nositelem substrátové specifity – rozhoduje, které substráty se během reakce přemění.
13
2. Dvousložkové – jsou tvořeny apoenzymem /bílkovinná část – substrátová specifita/ a kofaktorem /nebílkovinná část – účinková specifita – rozhoduje o typu chemické reakce/. Kofaktor: a) prostetická skupina – je pevně vázána na bílkovinný nosič kovalentní vazbou bez možnosti oddisociování. b) koenzym – je poután k bílkovinnému nosiči slabšími vazbami s možností oddisociování. Funkci koenzymu plní např. vitamíny rozpustné ve vodě nebo některé heterocyklické sloučeniny. Koenzymy- nízkomolekulární látky, podílející se na enzymové reakci tím, že přenášejí chemické skupiny, elektrony nebo atomy vodíku. Koenzymy oxidoredutáz: Nikotinamidadenindinukleotid /NAD+/ NAD+ + H2 NADH + H+ + Nikotinamidadenindinukleotidfosfát /NADP / - NADP+ + H2 NADPH + H+ Flavinmononukleotid /FMN/ FMN + 2e- + 2H+ FMNH2 Flavinadenindinukleotid /FAD/ - FAD + 2e- + 2H+ FADH2 Cytochromy – jejich funkcí je např. přenášení elektronů v dýchacím řetězci. Koenzymy transferáz: Adenosintrifosfát /ATP/ - nejdůležitější energetický metabolit buněk, energetický zisk, spojený se štěpením ATP, je dán poklesem energie produktů ADP nebo AMP. ATP ADP + P Podobnou funkci jako ATP mají i jiné nukleotidy: guanosintrifosfát /GTP/, cytidintrifosfát / CTP/ a uridintrifosfát /UTP/. Koenzym A /CoA/ - přenáší zbytky organických kyselin, které váže na triolovou skupinu.
14
Enzymová katalýza E + S → ES → E + P
Produkt jedné biochemické reakce je současně substrátem jiné biochemické reakce, tzn., že vzniká řetězec biochemických reakcí katalyzovaných převážně jiným enzymem. Specifita enzymu: enzym s přísnou specifikou /enzym katalyzuje přeměnu jediného substrátu/ enzym s širší specifikou /enzym katalyzuje přeměnu více substrátů, které mají některé společné rysy, např. typy vazeb/ Specifita enzymu je způsobena tím, že enzym má na svém povrchu „aktivní centrum“ ve tvaru prohlubně, která vznikla jako důsledek prostorového uspořádání bílkovinného řetězce. hypotéza zámku a klíče = enzym a substrát jsou prostorově komplementární hypotéza indukovaného přizpůsobení = substrát je tvarově podobný a je schopen se tvarově přizpůsobit a obsadit aktivní centrum Aktivita enzymu = rychlost katalyzované reakce. Jednotkou je 1 katal = množství enzymu potřebného k přeměně 1 molu substrátu za 1 sekundu. Faktory ovlivňující aktivitu enzymů: 1. pH – většina enzymů má optimální pH v rozmezí 6 – 7, výjimka pepsin /1,5 – 2,5/, trypsin /7,5 – 10/, sacharása /3,5 – 5,5/ 2. teplota – při teplotě nad 40°C aktivita enzymů prudce klesá /denaturace bílkovin/ 3. aktivátory – některé enzymy jsou produkovány v neaktivní formě jako zymogeny, jejich přechod na aktivní formu závisí na reakčním prostředí = na aktivátoru. /pepsinogen je aktivován HCl na pepsin/. 4. inhibitory – je prostorově podobný substrátu a obsadí aktivní centrum na enzymu, ale není schopen řídit příslušnou biochemickou reakci, protože struktura inhibitoru je jiná než struktura substrátu a enzym je tak vyřazen ze své katalytické funkce. a. inhibice kompetitivní – soutěživá – reverzibilní – lze odstranit zvýšenou koncentrací substrátu
15
b. inhibice nekompetitivní – inhibitor se naváže na komplex enzym – substrát a vyvolá strukturní změny na aktivním centru – ireverzibilní
inhibice substrátem nebo produktem – je-li substrát v nadbytku, může se na aktivní centrum se navázat více než jedna molekula substrátu – reverzibilní – při poklesu koncentrace substrátu enzymatická reakce pokračuje.
allosterická inhibice – inhibitor se naváže na jiné místo enzymu než na aktivní centrum, vlivem této vazby dojde k deformaci aktivního centra a substrát se do tohoto deformovaného aktivního centra nemůže navázat.
16
1.6
Vitaminy
Jsou nízkomolekulární organické sloučeniny, které tvoří esenciální složky potravy. Vitaminy mají katalytickou funkci, protože jsou součástí kofaktorů. Pojem esenciální je pojem relativní /pes a krysa si dokážou vit. C syntetizovat sami, pro člověka je tento vitamin esenciální/. enzym ↔ apoenzym + kofaktor /koenzym/ Funkce vitaminů se projevuje prostřednictvím enzymů – při nedostatečném přísunu vitaminů se sníží koncentrace koenzymů, rovnováha se poruší a posune směrem doprava, tzn., že se sníží i koncentrace enzymu. Snížená koncentrace enzymů se projeví narušením souhry biochemických reakcí v organismu, a vznikají poruchy organismu:
avitaminósa - /úplný nedostatek vitaminů/ hypovitaminósa - /snížený příjem vitaminů/ hypervitaminósa - /nadbytek vitaminů rozpustných v tucích – A,D/
Vitaminy rozpustné ve vodě Název
Vitamin je Projevy nedostatku významný pro: Vitamin B1 Metabolismus Nemoc beri-beri charakteristická Aneurin, thiamin /dekarboxylace poruchami funkce srdce a oxokyselin/ nervovými poruchami – při jednostr. výživě loupanou rýží. Vitamin B2 Je prosthet. sk. Kožní poruchy /bolavé ústní koutky/ Riboflavin, oxydoreduktáz a poruchy vidění laktoflavin /FMN, FAD/
Denní Zdroje potřeba 1,4 mg
Droždí, celozrnné pečivo
2 mg
Droždí, maso, mléko, list. zelenina Játra, rybí maso, obilné klíčky
Nemoc pelagra – zhnědnutí kůže, 20 mg průjmy, problémy nervového systému vedoucího až k demenci. V organismu se tvoří z tryptofanu, ale syntéza nestačí pokrýt potřebu. Vitamin B5 Strukt. složka Svalová ochablost, deprese, záněty 5 mg kys.pantothenová koenzymu A kůže Vitamin B6 Metabolismus Defekty kůže, anémie, nervové 3 mg pyridoxin aminokyselin poruchy, zvýšený homocystein Vitamin B3, PP, kys. nikotinová, nikotinamid
Vitamin B9 folacin, kys. listová
Vitamin B12 Kobalamin
Je součást koenzymu NAD+ a NADP+
Jako koenzym se podílí na přenosu jednouhlíkatých zbytků Metabolismus NK
Porucha krvetvorby, homocystein
zvýšený 0,4 mg
Nervové poruchy, snížení citlivosti 1 mg v končetinách, porucha krvetvorby, zvýšený homocystein 17
Droždí, vnitřnosti Droždí, maso, zelenina, obiloviny Zelené části rostlin
Vnitřnosti
Vitamin C Kys. askorbová Vitamin H Biotin
Buněč. oxidace, tvorba kolagenu Je prothetickou sk. karboxylás
Tělesná a duševní únava, snížená 80 mg odolnost vůči infekcím, kurděje, napomáhá vstřebávání Fe z potravy Kožní poruchy (šupinatění), 0,3 mg nadměrné vylučování kož. mazu a padání vlasů
Ovoce, zelenina Játra, vejce (bílkovina avidin váže biotin tak silně, že je pro organismus nedostupný
Vitaminy rozpustné v tucích /jejich prekursorem je isoprenoidní jednotka/ Název
Vitamin A /A1, A2 Retinol Axeroftol
Vitamin D /D1 – D7/ Kalciferoly Antirachitický vitamin Vitamin E Tokoferol Antisterilní vit.
Vitamin K Fylochinon Protikrvácivý vit.
Vitamin F
Vitamin je Projevy nedostatku významný pro: Prosthetická sk. Podílí se na všech hlavních rhodopsinu, funkcích organismu /nutný k vidění, proces vidění vývoj kostí, funkci pohl. žláz, zdravý vzhled pleti, má protinádorový účinek/ Správný růst a Nedostek vyvolává poruchy vývoj kostí metabolismu Ca a P, vedoucí k měknutí a deformaci kostí.
Denní Zdroje potřeb a 2 mg Rybí tuk, mléko, provitamin A (karoten) v barevné zelenině 0,01 mg Rybí tuk, droždí, Provitamin D (ergosterol) 20 mg Rostlinné oleje, zelenina, luštěniny
Normální funkce Poruchy tvorby pohlavních pohlavních hormonů až zastavení orgánů spermatogeneze. Používají se jako antioxidanty – chrání lipidy před oxidací Správná Avitaminósa je vzácná, neboť jeho 1 mg srážlivost krve – dostatek je organismu poskytován katalyzuje vznik střevní mikroflórou. Protože prothrombinu neprochází placentou, není obsažen v mateřském mléce, je jisté riziko hypovitaminósy u kojených mláďat. Jako antivi-tamin působí dikumarol, vysky-tující se v plesnivém jetelovém senu, který ohrožuje dobytek vykrvácením. Membránové Není známa 5 mg lipidy
18
Zelí, květák, špenát, luštěniny
Rostlinné oleje
Nukleové kyseliny
1.7
Jsou tvořeny polynukleotidickými řetězci, obsaženy ve všech buňkách a virech. nukleotid = pentósa + N-base + P nukleosid = pentósa + N-base
HO
HO O H
H
H
H
H OH
H
O
NH2
O
NH2
N
H3C N
N
Adenine
NH
O
NH
O
Cytosine
Thymine O
NH
NH
NH
N
NH
NH NH
OH
D-ribofuranósa
2-deoxy-D-ribofuranósa
N
H
H
H OH
OH
O
OH
O
Uracil
19
N
Guanine
NH2
DNA V eukaryotních buňkách je DNA uložena v jádře, svou vlastní DNA mají i mitochondrie a chloroplasty. Molekuly těchto DNA jsou mnohem menší než jaderné a mají prstencovou strukturu. Dědičná informace mitochondrií se přenáší z pokolení na pokolení pouze po mateřské linii, neboť spermie mt DNA neobsahují. Jaderná /chromosomální/ DNA je složena ze dvou komplementárních /ne však identických/ vláken. Základní prostorovou strukturou je dihelix – toto uspořádání je stabilizováno H–můstky, které propojují N–base obou řetězců.
Řetězec DNA je navázán na histony, které spolu s DNA vytvářejí charakteristické struktury, tzv. nukleosomy – jsou to kulové částice o velikosti asi 10 nm /tj. 80 – 140 párů nukleotidů/. Nukleosomy jsou spojeny úseky DNA o rozsahu asi 60 nukleotidových párů a tvoří chromatin. Vytvořením nukleosomové struktury dojde až k sedminásobnému zkrácení dihelixu. K dalšímu „nahuštění“ dojde při navinutí šňůry nukleosomů do útvaru připomínající cívku – chromosóm. Počet chromosómů v buňkách téhož organismu je vždy stejný – buňky člověka obsahují 46 chromosómů.
20
21
RNA Je syntetizována zpravidla v jádře procesem transkripce podle DNA a jako surový produkt dozrává do své funkční podoby buď v jádře nebo v cytoplasmě. Má tvar jednovláknové šroubovice, pouze některé viry mohou obsahovat i dvojvláknovou RNA. Může být ovšem syntetizována i mitochondriích nebo v chloroplastech. Typy RNA: 1. rRNA – stavební materiál ribosómů /asi 80% veškeré buněčné RNA/ 2. tRNA – fungují jako přenašeče aktivovaných AMK z cytoplasmy na ribosómy, každá kódovaná AMK má 1 nebo více pro ni specifických tRNA
Struktura tRNA je podobná čtyřlístku, v jedné smyčce je tzv. antikodon, který je komplementární s kodonem na mRNA
3. mRNA – matrice pro proteosyntézu, je přesnou komplementární kopií úseku vlákna DNA 4. virová RNA – v ní je uložena genetická informace u RNA virů
22
2.
DYNAMICKÁ BIOCHEMIE
Studuje nejen metabolické přeměny látek v živých organismech a energii, která při těchto přeměnách vzniká, ale i látkovou výměnu mezi organismem a okolím. Soubor těchto biochemických procesů lze rozdělit na dva podsoubory . 1. katabolismus - /děje rozkladné, degradační, disimilační/ - energeticky bohaté sloučeniny jsou odbourávány na jednodušší a uvolněná energie je uložena do ATP. Katabolické procesy probíhají převážně v mitochondriích. 2. anabolismus - /děje skladné, biosyntézy, asimilace/ - z látek jednoduchých vznikají látky složité, energie ve formě ATP se spotřebovává. Anabolické procesy probíhají v cytosolu. Části trávicí soustavy: dutina ústní, hltan, jícen, žaludek, tenké střevo /dvanáctník, lačník, kyčelník/, tlusté střevo, konečník.
2.1
Katabolismus sacharidů
Trávení a resorpce sacharidů – sacharidy jsou přijímány především ve formě polysacharidů a disacharidů. Škrob ptyalin pankr.amyláza α – amylósa dextriny maltósa + glukósa ↓ ↑ maltáza amy log lukosidáza amylopektin amyláza maltósa + glukósa
/ptyalin = α–amyláza - sliny/ amyloglukosidáza – slinivka amy log lukosidáza Glykogen amyláza maltósa + glukósa
Disacharidy jsou štěpeny pomocí sacharázy, maltázy, laktázy atd. na směs monosacharidů, které jsou vstřebávány střevní stěnou do krevního oběhu a dopraveny do jater, kde jsou enzymaticky přeměněny na glukósu. Glukósa je využita pro syntézu jaterního glykogenu nebo je vyplavena do krve a dále štěpena. Celulósa – ke štěpení celulósy nedisponují živočichové potřebnými enzymy. Výjimkou jsou hlemýždi a bachořci, kteří produkují celulázu. Pomocí celulázy štěpí celulósu na H 2, CH4, CH3COOH, CH3CH2COOH a CH3(CH2)2COOH. Anionty těchto organických kyselin jsou vstřebávány stěnou bachoru.
23
2.1.1 Anaerobní odbourávání sacharidů 1. Glykolýza /cytoplasma/ 2. Mléčné nebo ethanolové kvašení ad 1/ Glykolýza
Energetická bilance glykolýzy: vznik ………………………………..4 ATP spotřeba……………………………..2 (1) ATP zisk………………………………….2 (3) ATP, 2 NADH + H+ Vyšší energetický efekt při odbourávání glukósy z glykogenu je pouze zdánlivý, neboť při zabudování glukósy do glykogenu je zapotřebí 1 ATP. Výhoda je pouze v tom, že zisk třetí molekuly ATP přichází v době zvýšené poptávky po energii.
ad 2/ NADH+H+
Mléčné kvašení: CH3 – C – COOH || O
NAD+
CH3 – CH – COOH | OH
24
V živočišných organismech vzniká laktát při svalové činnosti, vzniklý laktát se hromadí ve svalech a mohl by vyvolat acidósu. Organismus se brání tím, že dá povel k přerušení činnosti v podobě bolesti, obtížného dýchání, atd. Vzniklý laktát může být využit pro novotvorbu glukósy nebo menší část po přívodu kyslíku zpět pro syntézu pyruvátu. Schopnost provádět mléčné kvašení mají i početné skupiny mikroorganismů. Některé z nich mají praktické využití v potravinářském průmyslu.
Etanolové kvašení: „fermentace“ pomocí kvasinek a některých mikroorganismy NADH+H+
CO2
CH3 – C - COOH || O
CH3 – CH = O
25
NAD+
CH3 – CH2 - OH
2.1.2. Aerobní odbourávání sacharidů 1. 2. 3. 4.
Glykolýza /cytoplasma/ Oxidační dekarboxylace pyruvátu na acetyl-coA /mitochondrie/ Citrátový cyklus /mitochondrie/ Respirační řetězec /mitochondrie/
Citrátový cyklus – Krebsův cyklus, cyklus trikarboxylových kyselin, cyklus kyseliny citronové – je cyklický proces, při němž je za aerobních podmínek acetylkoenzym A odbourán na dvě molekuly CO2 a atomy H, které jsou prostřednictvím redukovaných koenzymů dopraveny do dýchacího řetězce a tam postupně oxidovány na H2O. Uvolněná energie se tedy uvolňuje po částech a je využita na tvorbu ATP. Reoxidací NADH + H+ se v dýchacím řetězci získají 3 ATP reoxidací FADH2 ..………………………………… 2 ATP
Energetická bilance citrátového cyklu: odbouráním 1 molekuly acetyl-coA vznikne 12 ATP. přímo……………………… 1 ATP 3 x NADH + H+ …………… 9 ATP 1 x FADH2 …………………. 2 ATP
26
Energetická bilance při odbourání 1 molekuly glukósy: 1. anaerobní odbourávání:
glykolýza……………2ATP
2. aerobní odbourávání:
glykolýza……………2ATP 6ATP (2x NADH + H+) ox. dekarboxylace….. 6ATP (2x NADH + H+) c.c………………….. 24 ATP 38ATP
2.1.3 Pentósový cyklus /přímá oxidace glukósy/ Probíhá v tukových tkáních, jaterních buňkách a mléčné žláze. Touto cestou se odbourá asi 30% glukósy, je lokalizován v cytoplasmě. 1. Fáze oxidační NADP+ glukóso - 6 -P
NADPH+H+ ribóso - 5 - P
CO2
2. Fáze regenerační - sled složitých biochemických reakcí, při nichž se ribósa – 5 – P přeměňuje opět na glukósu – 6 – P. Význam pentósového cyklu: vznik pentós pro syntézu NK vznik NADPH + H+ pro syntézu MK
27
Anabolismus sacharidů
2.2
Fotosyntéza – sled chemických reakcí, při nichž si autotrofní organismy z CO2 a H2O za účasti slunečního záření a chlorofylu syntetizují sacharidy. Probíhá v chloroplastech. 6 H2O + 6 CO2 → C6H12O6 + 6 O2 1.světelná fáze – energie světelného záření je využita k tvorbě ATP a k fotolýze vody. Probíhá za účasti dvou fotosystémů:
fotosystém I – obsahuje molekuly chlorofylu absorbující vlnové délky 700 nm, přijetím energie slunečního záření přejde do excitovaného stavu a uvolněný elektron redukuje NADP+ na NADPH + H+ nebo se vrátí zpět na molekulu chlorofylu a uvolněná energie je využita k tvorbě ATP = cyklická fosforylace
fotosystém II – obsahuje molekuly chlorofylu absorbující vlnové délky 680 nm, přijetím energie slunečního záření přejde do excitovaného stavu a uvolněné elektrony přecházejí na fotosystém I a doplňují chybějící elektrony = necyklická fosforylace.
Fotolýza vody: H2O → 2H+ + 2e + 1 O2 2 Elektrony uvolněné při fotolýze vody regenerují fotosystém II. 2.temnostní fáze – do fotosyntézy se zapojuje CO2, který je redukován na sacharid při využití ATP ze světelné fáze. Glukogenese – heterotrofní organismy využívají pyruvát, laktát nebo glycerol k syntéze glukósy.
28
2.3
Katabolismus lipidů
Trávení a resorpce lipidů – začíná v žaludku činností žaludeční lipázy /přežvýkavci nemají žaludeční lipázu a štěpí lipidy činností lipolytických bakterií/. Štěpení v žaludku není úplné – vznikají volné mastné kyseliny a diacylglyceroly. Intenzivní odbourávání lipidů nastává ve dvanáctníku, kde dochází vlivem žluči k emulgaci lipidů a tím k jejich snadnějšímu enzymatickému štěpení působením pankreatické lipázy na monoacylglyceroly a mastné kyseliny. Štěpení je dokončeno tenkém střevě /lačník/ činností střevních lipáz na glycerol a MK. Štěpné produkty /glycerol + MK/ jsou mízními cévami transportovány do jater kde se dále metabolizují nebo se z nich syntetizují nové lipidy tělu vlastní. Glycerol se přemění na glyceraldehyd – 3 – P a sleduje metabolismus glukósy. Mastné kyseliny se odbourávají β – oxidací, která probíhá po Lynenově spirále.
β – oxidace je lokalizována v mitochondriích, molekula MK je nejprve přeměněna na acylkoenzym A /např. palmityl-coA/. Dvěma postupnými dehydrogenacemije z původního acylkoenzymu A odštěpena molekula acetylkoenzymu A a vzniká nový acylkoenzym A, jehož acyl je o 2 C kratší než původní. Kratší acylkoenzym A opět vstoupí do Lynenovy spirály a proces se opakuje tak dlouho, dokud není molekula MK rozštěpena na samé acetalkoenzymy A. Vzniklý acetyl-coA je oxidován v citrátovém cyklu stejně jako acetyl-coA vzniklý při katabolismu sacharidů. Energetická bilance jednoho cyklu:
celkem vznikne
1x FADH2 ……….. 2ATP 1x NADH+H+ ……. 3ATP 1x CH3CO-coA …..12ATP 17ATP
29
Lipidy jsou koncentrovanější formou energie ve srovnání se sacharidy. β – oxidace MK má význam pro některé živočichy, kterým umožňuje přežít delší dobu bez vody /např. pro velbloudy/, protože oxidací redukovaných koenzymů vzniká voda.
2.4
Anabolismus lipidů
Základní podmínkou pro syntézu lipidů je přítomnost glycerolu a MK. Glycerol se syntetizuje z glyceraldehyd – 3 – P, tj. z meziproduktu glykolýzy Mastné kyseliny se syntetizují pochody opačnými β – oxidaci. Oba procesy se odlišují jinou lokalizací v buňce – syntéza MK probíhá v cytoplasmě a je využito redukovaných koenzymů vzniklých v pentósofosfátovém cyklu /NADPH + H+/.
30
Katabolismus bílkovin a aminokyselin
2.5
Bílkoviny jsou základním stavebním materiálem rostlinných i živočišných organismů, na rozdíl od sacharidů se nemohou ukládat do zásoby a neustále se odbourávají a syntetizují nové. Metabolismus bílkovin lze sledovat tzv. N – bilancí /poměr mezi přijatým a vyloučeným množství dusíku/. N – rovnováha – dospělý zdravý organismus vyloučí stejné množství dusíku jako přijme Pozitivní bilance – organismus přijme větší množství dusíku než vyloučí – v období růstu – přijaté AMK se účastní stavby nových buněk a tkání Negativní bilance – organismus vyloučí větší množství dusíku než přijme – stáří, nemoci, hladovění Odbourávání bílkovin začíná hydrolytickým štěpením = proteolýza, působením enzymů proteáz. Proteázy se dělí do dvou skupin:
endopeptidázy /=proteinázy/ - katalyzují štěpení uvnitř řetězce exopeptidázy /karboxypeptidázy a aminopeptidázy/ - katalyzují štěpení koncových aminokyselin
Trávení a resorpce bílkovin žaludeční enzymy: pepsinogen /pepsin / - malá specifita co do typu štěpení – štěpí pouze peptidový řetězec v místě výskytu –Tyr- a –Phe- . prochymosin /chymosin = rennin/ - vykonává funkci žaludeční proteázy v době, kdy mláďata savců jsou krmena mateřským mlékem a není u nich dostatečně vyvinuta tvorba pepsinu. pankreatické enzymy: trypsinogen /trypsin/ chymotripsinogen /chymotrypsin / proelastása /elastása karboxypeptidása pankreatické enzymy jsou syntetizovány ve formě zymogenů, pankreatickou šťávou dopraveny do tenkého střeva a tam je trypsinogen pomocí enteropeptidásy /enterokinásy/ aktivován na trypsin, který aktivuje ostatní zymogeny. enzymy střevní šťávy: aminopeptidásy dipeptidásy Jednotlivé AMK vzniklých v trávicím traktu může být využito: k syntéze nových bílkovin tělu vlastních k syntéze jiných specifických látek /hormony, nukleotidy, nikotinamid, atd/ jako zdroj energie
31
Katabolismus aminokyselin - každá z 20 AMK má vlastní cestu odbourávání, základní strategie však spočívá v přeměně na takové meziprodukty, které se mohou zapojit do citrátového cyklu. Hlavní cesty odbourávání AMK:
transaminace – přenos –NH2 z AMK na 2-oxokyselinu /nejčastěji 2-oxoglutarovou/
HOOC–C–(CH2)2–COOH + R–CH–COOH → HOOC–CH–(CH2)2-COOH + R-C-COOH || | | || O NH2 NH2 O
oxidační deaminace – vyloučený NH3 je toxický i v malých množstvích, proto jej organismus převádí na méně toxickou formu v ornithinovém cyklu. Savci jej metabolizují na močovinu, ptáci a plazi na kyselinu močovou, pouze vodní živočichové jej průběžně vylučují do prostředí. NAD+
NADH+H+
R-CH-COOH + H2O | NH2
R-C-COOH + NH3 || O
dekarboxylace – převážně u mikroorganismů a rostlin. CO2
R-CH-COOH | NH2
R-CH2-NH2
32
33
2.6
Biosyntéza aminokyselin a bílkovin
Předpokladem syntézy bílkovin je dostatek 2-oxokyselin, které pocházejí z produktů: glykolýzy /alanin→ z pyruvátu/ citrátového cyklu / k. asparagová→ z oxalacetátu, k. glutamová→z 2-xoglutarátu/ Z těchto 2-oxokyselin jsou AMK syntetizovány: aminací transaminací Některé AMK se tvoří přestavbou jiných / asparagin a glutamin z k. asparagové a glutamové, fenylalanin z alaninu, tyrosin z fenylalaninu, atd./ Základem ukládání a přenosu genetické informace pro syntézu bílkovin jsou tři procesy: 1) replikace - je proces, kdy z původní DNA vznikají dvě naprosto shodné dceřiné DNA tak, že v nově syntetizovaných molekulách je vždy jedno vlákno z původní DNA a druhé je nově syntetizované. 2) transkripce – je přenos genetické informace z jádra do cytoplasmy na ribosóm, kde probíhá vlastní proteosyntéza. Informace se přepisuje na mRNA na základě komplementarity bází, ale místo T se do mRNA zabudovává U. 3) translace - proces vlastní syntézy bílkovin. mRNA se naváže na ribosóm a biosyntézu bílkovin zahajuje tRNA, jejíž antikodon je komplementární kodonu AUG. Pak se připojí první dvě aktivované tRNA nesoucí první dvě AMK budoucí bílkoviny. Jejich správné řazení obstarává kodon a antikodon. První dvě AMK se spojí za vzniku dipeptidu, vzniklý dipeptid zůstane navázán na druhé tRNA a první tRNA se uvolní. Dipeptid na ribosómu se posune o jedno místo a přiblíží se třetí tRNA se třetí AMK, která se naváže na dipeptid a vznikne tripeptid. Vzniklý tripeptid zůstane navázán na třetí tRNA a druhá tRNA se vzdálí od ribosómu. Tak to pokračuje tak dlouho, dokud není utvořena celá molekula bílkoviny. Syntézu bílkoviny ukončí stop kodon – UAA, UAG a UGA. Kompletní bílkovina opustí ribosóm.
34
35
2.7
Metabolismus nukleových kyselin
Lidský organismus dovede odbourávat pouze RNA, místem katabolismu jsou lysosómy. K celkovému odbourávání DNA dochází jen u mrtvých buněk nebo při zrání bezjaderných buněk /např. erytrocytů/. Při poškození části DNA jsou degradovány pouze poškozené části a nahrazeny novými. Poruchy v metabolismu NK mohou vést k nadměrné produkci urátu /sůl kyseliny močové, na níž se odbourávají purinové báze NK/. Organismus takto postižených organismů neprodukuje dostatečné množství trávicího enzymu urikázy, která oxiduje urát a převádí jej na rozpustnou látku. V důsledku toho urát krystaluje v krvi a bere na sebe podobu jehliček, které pronikají do kloubů a způsobují bolestivé onemocnění – dnu. Syntéza DNA - Molekula DNA je tvořena dvěma těsně vedle sebe probíhajícími polynukleotidovými řetězci (= „dvouvláknová molekula“). Oba řetězce jsou spojeny na principu komplementarity bází G – C a A – T. Stavebním materiálem pro syntézu molekuly DNA jsou volné nukleotidy. K jejich spojení do polynukleotidového řetězce je nutný enzym DNA - polymeráza. Při vlastní syntéze se vlivem porušování vodíkových můstků mezi bázemi obě vlákna od sebe oddalují. Volné nukleotidy se přiřazují podle principu komplementarity k „obnaženým“ bázím obou řetězců. Obě vlákna původní molekuly slouží jako matrice pro syntézu nových vláken. Každá z obou nových molekul DNA má tedy jedno vlákno „staré“ a jedno „nové“. Obě molekuly jsou navzájem stejné a jsou identické i s původní molekulou. Tento proces nazýváme replikace DNA (zdvojení), probíhá především v jádře a mitochondriích, v rostlinných buňkách i v chloroplastech. Syntéza RNA – stavebním materiálem jsou volné nukleotidy (ribonukleotidy), energii dodává ATP, enzym je zde RNA - polymeráza. Syntéza RNA probíhá většinou podle matrice molekuly DNA, pouze u virů neobsahujících DNA je matricí RNA. Obě vlákna DNA se opět oddělují a podle principu komplementarity se přiřazují ribonukleotidy s příslušnými bázemi G – C a A U. Jakmile RNA - polymeráza nukleotidy spojí, oddělí se hotová molekula RNA od své DNA matrice. Místo syntézy RNA je v buňce dáno tím, kde leží DNA, tj. opět v jádře, mitochondriích, popř. chloroplastech.
36
2.8
Propojení metabolických dějů
lipidy
mastné kyseliny + glycerol
beta-oxidace
sacharidy
bílkoviny
glukósa
alfa - AMK
glykolýza
pyruvát
transaminace, deaminace
laktát
ox. dekarboxylace
acetyl-coA
citrátový citrátový cyklus cyklus + + respirační respirační řetězec řetězec
CO2 + H2O
37
3. SEKUNDÁRNÍ METABOLITY Primární metabolismus – metabolické přeměny společné všem buňkám Sekundární metabolismus – metabolické přeměny probíhající pouze v některých buňkách, popř. jen v některých skupinách organismů.
3.1
Alkaloidy
Vlastnosti: jsou heterocyklické sloučeniny s jedním nebo více atomy N, nevyskytují se volně, ale v důsledku své zásadité povahy jsou vázány na organické kyseliny – např. šťavelovou, octovou, citronovou, vinnou jsou hořké – rostliny si je patrně vytvářejí jako obranné látky před spásáním většinou tuhé nebo krystalické látky málo rozpustné ve vodě mají biologické účinky na CNS – využívají se jako léčiva jsou zneužívány jako jedy Farmakologické účinky – zpočátku bezstarostnost, znecitlivění, pocit zvýšené fyzické a duševní výkonnosti, opakované požití může vést drogové závislosti, která je charakterizována stále vyšší potřebou drogy. Bez drogy se dostavují abstinenční příznaky, které se projevují různě – rozladění, deprese, třes, zimnice, pocení, průjem, atd. Chemická struktura alkaloidů je složitá, proto se dělení provádí nejčastěji podle výskytu nebo podle biologických účinků. Opiové alkaloidy – získávají se ze šťávy nezralých makovic, mají tišící účinky proti bolestem opium morfin – tišení bolestí kodein – tišení kašle papaverin – lék proti křečím heroin – diacetylmorfín, má asi 6x silnější účinky, původně vyvinutý jako lék proti kašli
38
Tropanové alkaloidy – obsaženy v rostlinách čeledi lilkovitých /rulík zlomocný, blín, durman, mandragora/, mají stimulační účinky. atropin – získává se z mandragory rostoucí v Řecku a na Blízkém východě, rozšiřuje zornice – používá se v očním lékařství kokain – získává se z listů koky rostoucí v Jižní Americe, způsobuje znecitlivění, tlumí únavu chinin – lék proti malárii a vysokým teplotám
Námelové alkaloidy – obsažené v námelu /produkt houby paličkovice nachové rostoucí především na žitě/, mají halucinogenní účinky a způsobují kontrakci cév a hladkého svalstva /hlavně dělohy/, proto se používají v gynekologii pro regulaci krvácení po porodu. LSD – původně jako lék v psychiatrii, způsobuje „flash-back“ ergotamin – lék proti migréně mezkalin – izolovaný z některých druhů mexických kaktusů psilocybin – je obsažen v lysohlávkách a v některýchmexických houbách, vyvolává barevné prostorové halucinace
Ostatní alkaloidy nikotin – obsažen v tabákovém listu kofein – obsažen v kávových bobech (1 – 2%) a čajových listech (3 – 5%) strychnin – prudký jed k hubení hlodavců theobromin – obsažený v kakaových bobech theofylin – obsažený v čajových listech
39
THC – obsažen v konopí, není alkaloid, ale má též halucinogenní účinky /nepravé halucinogeny/. Byla provedena řada výzkumů konopí setého. Hlavní psychoaktivní složkou je tetrahydrocannabinol. Klinické studie ukázaly, že THC má příznivý vliv při léčení astmatu (rozšiřuje průdušky), epilepsie (snižuje počet záchvatů), anorexie (podporuje chuť k jídlu), zeleného zákalu (snižuje nitrooční tlak), nevolnosti vyvolané chemoterapií u rakoviny. Léčebné užití konopí, výroba a aplikace jeho syntetických analogů je však dosud předmětem diskusí a dalších výzkumů. Ve dvou státech USA (Arizona a Kalifornie) již byl povolen prodej marihuany na lékařský předpis nemocným tou nemocí, u níž je příznivý účinek THC prokázaný. Tento počin je dosud ve světě ojedinělý.
40
3.2
Isoprenoidy /terpeny a steroidy/ . Terpeny – strukturním základem je isoprén, jehož jednotky se mohou spojovat v různě dlouhé řetězce a tvořit rozmanité cyklické struktury
Název
Počet IJ Monoterpeny 2
Počet at. Zástupci C 10 Geraniol - složka růžového oleje Menthol – složka máty peprné Kafr Citral – složka citronové silice
Seskviterpeny 3
15
Azuleny – součást silice heřmánku Farnesol – součást silice květů pomerančovníku, jasmínu a lípy
Diterpeny
4
20
Fytol – získává se z kopřiv, používá se k výrobě ubichinonu = koenzym Q Retinol = vitamin A
Sesterpeny Triterpeny
5 6
25 30
K významným terpenům patří steroidy
Tetraterpeny
8
40
Karotenoidy, např.oražový β-karoten, žlutý lutein Karotenoidy jsou provitaminem A
Polyterpeny
Kaučuk Gutaperča
Steroidy – strukturním základem je steran = cyklopentanoperhydrofenantrén. Jsou to přírodní látky rostlinného i živočišného původu, dovedou je syntetizovat i kvasinky, plísně a bakterie. Dělí se na steroly, žlučové kyseliny a steroidní hormony.
41
Název Steroly
Rozdělení zoosteroly
Zástupci cholesterol
Funkce součást živočišných tuků, přítomen v mozku, ve žluči, v krevní plasmě, v nadledvinách, v nervové tkáni, v míše a ve vaječném žloutku. Je výchozí látkou pro syntézu žlučových kyselin, pohlavních hormonů a kalciferolů. Patologicky se ukládá ve stěnách krevních cév a způsobuje atherosklerósu a žlučové kameny.
Fytosteroly
stigmasterol
jsou přítomné v rostlinách, nejvýznamnější jsou srdeční glykosidy obsažené v semenech a listech náprstníku nebo konvalince, zvyšují činnost srdečního svalu je produktem nižších hub, poprvé byl objeven v námelu, hlavním zdrojem jsou kvasnice, je provitaminem D
Mykosteroly ergosterol
Žlučové kyseliny Steroidní Pohlavní hormony hormony
K. cholová K. deoxycholová K. glykocholová K. taurocholová Androgeny
jsou hlavní součástí žluče syntetizují se v játrech z cholesterolu, mají schopnost emulgovat lipidy přijaté potravou.
Estrogeny Gestageny Hormony kůry nadledvin
Glukokortikoidy Mineralokortikoidy
42
4.3
Regulace metabolismu
Životní procesy reguluje neurohumorální systém, jehož úkolem je zajistit stálé vnitřní prostředí = homeostázu. Regulační mechanismy neurohumorálního systému dělíme na: nervové – jsou zajišťovány centrální nervovou soustavou a působí okamžitě humorální – jsou zajišťovány hormony produkované endokrinními žlázami a regulace je relativně pomalá Homeostáza je regulovaná hypofýzou /podvěsek mozkový/, která předává ostatním žlázám s vnitřní sekrecí impulsy z nervové soustavy. Endokrinní žlázy Hormon
Funkce
podvěsek mozkový Růstový hormon, /hypofýza/ Somatotropin, STH
Reguluje metabolismus sacharidů, lipidů a bílkovin, gigantismus x nanismus
Řídí činnost štítné žlázy, při nedostatku jódu v potravě se zvýší sekreceTSH a vzniká struma Kortikotropin, ACTH Řídí činnost nadledvin Folitropin, FSH U žen podporuje růst folikulů a tvorbu estrogenu, u mužů ovlivňuje spermatogenezi Lutropin, LH Ve zralých folikulech vyvolává ovulaci a tvorbu žlutého tělíska, které produkuje progesteron, u mužů stimuluje sekreci testosteronu Prolaktin, LTH Ovlivňuje mléčnou žlázu a laktaci, podílí se na vzniku žlutého tělíska Antidiuretický hormon, Ovlivňuje koncentraci moči v ledvinách Vasopresin, ADH Oxytocin Stahy hladkého svalstva dělohy a mléčné žlázy šišinka mozková / Melatonin Ovlivňuje pigmentaci epifýza/ Thyreotropin, TSH
štítná žláza /glandula thyreoide/ příštítná tělíska /glandulae parathyreoideae/ slinivka břišní /pankreas/ nadledviny /glandulae suprarenales/ kůra
Tyroxin + Trijodtyronin
Podporuje metabolismus a duševní vývoj člověka
Kalcitonin
Reguluje hladinu Ca v krvi
Parathormon, PTH
Zvyšuje hladinu Ca v krvi /= odvápnění kostí/
Insulin
Snižuje hladinu glukosy v krvi
Glukagon
Antagonista insulinu
Glukokortikoidy
Regulují metabolismus sacharidů, lipidů a bílkovin Řídí hospodaření s minerály a vodou
Mineralokortikoidy Vzniká též menší množství pohlavních hormonů
43
nadledviny /glandulae suprarenales/ dřeň
pohlavní žlázy
Je vylučován do krve na základě nervových podnětů zejména při fysickém nebo psychickém stresu, tj. v krizových situacích, které vyvolávají v organismu tzv. poplachovou reakci; způsobuje zvýšení koncentrace glukosy, laktátu a volných mastných kyselin v krvi Noradrenalin vyvolává kontrakci cév (s výjimkou cév (norepinefrin) srdečních) a zvyšuje krevní tlak; uvolňuje naopak hladké svaly, ale stimuluje srdeční sval. androgeny, zejména Indukují vývoj mužských sekundárních testosteron, androsteron pohlavních znaků, jsou také nezbytné pro zrání a androstenolon spermií, stimulují anabolické procesy, zejména synthesu bílkovin; proto mohou být používány (ve sportu zneužívány) jako anabolické hormony; V ženském organismu slouží jako prekursory estrogenů, jsou též synthetisovány ve vaječnících a placentě. estrogeny, zejména U dospělých žen jejich hladina kolísá estradiol, estron a v pravidelném měsíčním cyklu. U samic estriol ostatních živočichů je produkce estrogenů závislá na sezoně a vyvolává říji. Menší množství estrogenů i androgenů vzniká v kůře nadledvin u obou pohlaví. U mužů se tvoří také ve varlatech chemickou přeměnou mužských pohlavních hormonů (testosteronu, androstendionu) cirkulujících v krvi. Estrogeny způsobují zadržování sodíku a vody v těle (přibývání hmotnosti), významně snižují hladinu cholesterolu v krvi, podporují tvorbu kostní dřeně a příznivě ovlivňují funkce nervového systému; gestageny hlavně Připravuje pohlavní orgány na těhotenství, progesteron zajišťuje jeho udržování a později připravuje mléčné žlázy k produkci mléka. Vznikají ve větším množství během druhé poloviny ovulačního cyklu ve žlutém tělísku vaječníků a po oplodnění i v placentě. Adrenalin (epinefrin)
Podle chemické struktury lze hormony dělit do několika kategorií:
hormony peptidové a bílkovinné (hormony hypothalamu, hypofysy, příštítných tělísek a slinivky břišní) hormony odvozené od aminokyselin, zejména od tyrosinu (hormony štítné žlázy a dřeně nadledvin) hormony steroidní, lipofilní (v tucích rozpustné) - (hormony kůry nadledvin a pohlavních žláz). Výchozí látkou pro jejich synthesu v těle živočichů je cholesterol
44
prostanoidy /eikosanoidy/ - oxidační produkty arachidonové kyseliny, nevznikají ve žlázách s vnitřní sekrecí, svým složením i fyzikálními vlastnostmi připomínají spíše lipidy. Mají schopnost měnit intenzitu signálu určeného pro regulaci procesů vnitrobuněčného metabolismu.
45
46
