Κεφάλαιο 1 Bιοχημεία: Μια εξελισσόμενη επιστήμη

Transcript

1 Κεφάλαιο 1 Bιοχημεία: Μια εξελισσόμενη επιστήμη Η βιοχημεία είναι η μελέτη της χημείας των διεργασιών της ζωής... Και στόχος μας είναι να μην την μισήσετε!!!!!. Να σας εμπνεύσει ισως???

2 ΠΕΡΙΓΡΑΜΜΑ 1.1 Το ενιαίο των βιοχημικών διεργασιών είναι το υπόβαθρο της βιολογικής ποικιλομορφίας 1.2 Το DNA καταδεικνύει την αμφίδρομη σχέση μεταξύ μορφής και λειτουργίας 1.3 Οι έννοιες της χημείας εξηγούν τις ιδιότητες των βιολογικών μορίων 1.4 Η γονιδιωματική επανάσταση μετασχηματίζει τη βιοχημεία, την ιατρική και άλλα γνωστικά πεδία 2 Μακρομορια μεταβολιτες

3 1.1 Το ενιαίο των βιοχημικών διεργασιών είναι το υπόβαθρο της βιολογικής ποικιλομορφίας H βιοχημεία είναι η μελέτη της χημείας των διεργασιών της ζωής. Περιλαμβάνουν την αλληλεπίδραση μεγάλων μορίων, όπως οι πρωτεΐνες και τα νουκλεϊκά οξέα (βιολογικά μακρομόρια) και μορίων μικρού μοριακού βάρους, όπως η γλυκόζη και η γλυκερόλη, (μεταβολίτες) τα οποία μετασχηματίζονται χημικά μέσα από τις βιολογικές διεργασίες. 3 συντηρηση

4 Βιολογικά μακρομόρια και μεταβολίτες είναι εν πολλοίς κοινά μόρια σε όλους τους οργανισμούς. Πχ. το DNA, ή οι πρωτεΐνες, που δομούνται από το ίδιο σύνολο 20 αμινοξέων και συχνά έχουν πολύ παρόμοιες τριδιάστατες δομές. 4 Κοινες αντιδρασεις

5 Οι κύριες μεταβολικές διεργασίες είναι κοινές σε πολλούς οργανισμούς. Π.χ. η μετατροπή γλυκόζηςσε διοξείδιο του άνθρακα και νερό είναι ταυτόσημη στην Escherichia coli (E. coli) και στα ανθρώπινα όντα. Όλοι οι ζώντες οργανισμοί στη Γη φαίνεται να έχουν έναν κοινό πρόγονο και ότι οι σύγχρονοι έχουν εξελιχθεί από τον πρόγονο αυτό στην παρούσα τους μορφή!!!! 5 DNA

6 1.2 Το DNA καταδεικνύει την αμφίδρομη σχέση μεταξύ μορφής και λειτουργίας Βάσεις DNA Αλυσίδα DNA 6 Δεσμοι Η

7 Δεσμοί Υδρογόνου μεταξύ βάσεων 7 ζευγαρωμα

8 Η διπλή έλικα του DNA μπορεί να σχηματιστεί από τις συνιστώσες αλυσίδες της 8 Διπλη ελικα

9 Η διπλή έλικα του DNA μπορεί να σχηματιστεί από τις συνιστώσες αλυσίδες της 10 Γουατσ. Κρικ

10 1953, Watson Crick, τρισδιάστατο μοντέλο της δομής του DNA Δύο αντιπαράλληλες έλικες αλυσίδων DNA Υδρόφιλοι κορμοί των εναλλασόμενων δεοξυριβοζών και φωσφορικών ομάδων βρίσκονται στο εξωτερικό της διπλής έλικας σε επαφή με το νερό. Οι βάσεις πουρινών και πυριμιδινών των δύο αλυσίδων εδράζονται στο εσωτερικό της διπλής έλικας, με τις υδρόφοβες και σχεδόν επίπεδες δομές τους πολύ κοντά και κάθετα στον άξονα του μορίου. 10 αντιγραφη

11 Η δομή του DNA εξηγεί τις ιδιότητες της κληρονομικότητας και τη δυνατότητα αποθήκευσης πληροφοριών 11 νουκλ.

12 Τα νουκλεοτίδια επιτελούν ποικίλους ρόλους στον κυτταρικό μεταβολισμό. Αποτελούν το ενεργειακό δυναμικό στις μεταβολικές διεργασίες. Aποτελούν συμπαράγοντες ενζύμων και μεταβολικά ενδιάμεσα. Αποτελούν σηματοδοτικα μόρια. Αποτελούν τις δομικές υπομονάδες των νουκλεϊκών οξέων. 12 γονιδια

13 DNA Ένα τμήμα μορίου DNA που περιέχει την απαιτούμενη πληροφορία για να μεταγραφεί σε ένα λειτουργικό μόριο RNA ονομάζεται γονίδιο. Ένα κύτταρο τυπικά έχει πολλές χιλιάδες γονίδια, και τα DNA μόρια τείνουν να είναι πολύ μεγάλα. Η αποθήκευση και μετάδοση βιολογικής πληροφορίας αποτελούν λειτουργίες του DNA. 13 ρνα

14 Το RNA είναι το ενδιάμεσο μόριο στη ροή των γενετικών πληροφοριών 14 ρνα

15 RNA Τα μόρια RNA έχουν μεγαλύτερο εύρος λειτουργιών και απαντώνται σαν ποικίλες κατηγορίες στα κύτταρα. Τα ριβοσωμικά RNAs (rrnas) είναι συστατικά των ριβοσωμάτων, τα σύμπλοκα που επιτελούν τη σύνθεση των πρωτεϊνών. Τα μηνυματοφόρα RNAs (mrnas) είναι ενδιάμεσα που φέρουν τη γενετική πληροφορία από ένα ή περισσότερα γονίδια στο ριβόσωμα, όπου μπορούν να συντεθούν οι πρωτεΐνες. Τα μεταφορικά RNAs (trnas) είναι συνδετικά μόρια που μεταφράζουν την πληροφορία του mrna σε ειδική αλληλουχία αμινοξέων. 15 που πυρ

16 Τόσο το DNA όσο και το RNA περιέχουν δύο κύριες βάσεις πουρίνης, την αδενίνη (A) και τη γουανίνη (G), και δυο πυριμιδίνες. Στο DNA και το RNA μια από τις πυριμιδίνες είναι η κυτοσίνη (C), αλλά η δεύτερη κύρια πυριμιδίνη είναι η θυμίνη (T) στο DNA και η ουρακίλη (U) στο RNA. 16 χημ. δεσμοι

17 1.3 Χημικοί δεσμοί Η Χημεία καθοδηγεί όλες τις Βιολογικές αντιδράσεις 1. Χημεία ενώσεων άνθρακα 2. Χημικές αντιδράσεις σε υδατικό διάλυμα και ήπιες θερμοκρασίες 3. Σύνθετη χημική οργάνωση 4. Τεράστια πολυμερή μόρια 5. Αυστηρή ρύθμιση των χημικών αντιδράσεων (στον κατάλληλο τόπο και χρόνο) 17 στοιχεια

18 Τα κύτταρα κατασκευάζονται από μικρό αριθμό ατόμων 92 διαφορετικά στοιχεία στη φύση C, H, N, O 96.5% του βάρους στους Ζωντανούς οργανισμούς 18 ατομο

19 Άτομο: πυρήνας (πρωτόνια, νετρόνια), ηλεκτρόνια Το άτομο ως σύνολο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο Ισότοπα: ένα στοιχείο μπορεί να υπάρχει σε διακριτές φυσικές μορφές αλλά ταυτόσημες χημικές μορφές (μεταβάλλεται ο αριθμός των νετρονίων) (C 14 ) 19 μολ

20 Ένα mole μιας ουσίας είναι Χ γραμμάρια, όπου Χ το μοριακό βάρος και περιέχει 6x10 23 μόρια της ουσίας. 1 mole άνθρακα ζυγίζει 12 g 1 mole γλυκόζης ζυγίζει 180 g 1 mole χλωριούχου νατρίου ζυγίζει 58 g Διάλυμα γλυκόζης γραμμομοριακής συγκέντρωσης (1Μ) περιέχει 180g/l γλυκόζης. Μάζα: daltons (μια μονάδα ατομικής μάζας περίπου ίση με τη μάζα ενός ατόμου υδρογόνου) 20 στοιβαδες

21 Τα εξώτατα ηλεκτρόνια (Ηλεκτρονιακός φλοιός) καθορίζουν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ατόμων Ηλεκτρονιακές στοιβάδες (με 2, 8) αντιστοιχούν σε αδρανή άτομα 21 σθενος

22 C, N, O (ημιτελής δεύτερη εξωτερική στιβάδα) P, S (ημιτελής τρίτη εξωτερική στιβάδα) Σθένος:ο αριθμός ηλεκτρονίων που πρέπει να αποκτήσει ή να χάσει ένα άτομο ώστε να επιτύχει μια πλήρη εξωτερική στιβάδα 22 δεσμοι

23 Ομοιοπολικοί δεσμοί σχηματίζονται με κοινή συνεισφορά ηλεκτρονίων. Ιοντικοί δεσμοί σχηματίζονται με κέρδος και απώλεια ηλεκτρονίων 23 προσανατολισμος

24 Πολλαπλοί ομοιοπολικοί δεσμοί έχουν συγκεκριμένο προσανατολισμό στο χώρο και αντικατοπτρίζουν τον προσανατολισμό των τροχιών των ηλεκτρονίων που συμμετέχουν στο δεσμό Ο ακριβής προσανατολισμός των ομοιοπολικών δεσμών είναι η βάση για την τρισδιάστατη γεωμετρία των οργανικών μορίων 24 Διπλοι τριπλοι

25 Τρία διαφορετικά είδη ομοιοπολικών δεσμών. Απλοί, διπλοί και τριπλοί (απλοί ομοιοπολικοί πολικοί) 25 Νερο δ Η

26 Το νερό συγκρατείται με δεσμούς υδρογόνου 26 Υδροφοβικοτητα

27 1.3 Οι έννοιες της χημείας εξηγούν τις ιδιότητες των βιολογικών μορίων. Το φαινόμενο της υδροφοβικότητας. Μη πολικά μόρια δεν συμμετέχουν σε δεσμούς υδρογόνου ή σε ιοντικές αλληλεπιδράσεις. Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ μη πολικών μορίων και μορίων ύδατος δεν ευνοούνται!!!. Τα μόρια ύδατος που βρίσκονται σε επαφή με αυτά τα άπολα μόρια σχηματίζουν «κλωβούς» γύρω τους αποκτώντας έτσι μεγαλύτερη τάξη (μικρότερη εντροπία) απ ό,τι τα ελεύθερα μόρια ύδατος. 27 Μορια κυτταρων

28 Τα μόρια των κυττάρων Τα κύτταρα περιέχουν τέσσερεις κύριες οικογένειες μικρών οργανικών μορίων Τα σάκχαρα είναι πηγές ενέργειας για τα κύτταρα και δομικά στοιχεία για τους πολυσακχαρίτες Τα λιπαρά οξέα είναι συστατικά των κυτταρικών μεμβρανών Τα αμινοξέα είναι τα δομικά στοιχεία των πρωτεϊνών Τα νουκλεοτίδια είναι τα δομικά στοιχεία του DNA και του RNA 28 Αντιδρασεις

29 Οι κύριες δραστικές ομάδες Μεθυλ CH3 Υδροξυ OH Θειολ SH Αμινο NH 2 κετο/καρβονυλ C=O Ακυλο R CO Καρβοξυ COOH Φωσφο PO 2 3 Οι βασικοί ομοιπολικοί δεσμοί στα βιολογικά μόρια Εστέρας Ανυδρίτης Αμίδιο Βάση chif Ημιακετάλη Κλπ κλπ Κλπ κλπ 29 Πινακας μοριων

30 Τα κύτταρα περιέχουν τέσσερεις κύριες οικογένειες μικρών οργανικών μορίων 30 σακχαρα

31 Τα σάκχαρα είναι πηγές ενέργειας για τα κύτταρα (γλυκόζη, γλυκογόνο), δομικά στοιχεία πολυσακχαριτών μηχανικής στήριξης (όπως κυτταρίνη, και χιτίνη) πρόδρομες ενώσεις για τη σύνθεση γλυκοπρωτεΐνών, γλυκολιπιδίων κλπ κλπ. 31 λιπαρα οξεα

32 Τα λιπαρά οξέα είναι συστατικά των κυτταρικών μεμβρανών και πλουσιες πηγές ενέργειας Αμφιπολικά / αμφιπαθή μόρια Παλμιτικό οξύ 32 λιπιδια

33 Τα λιπίδια είναι συστατικά των κυτταρικών μεμβρανών 33 αμινοξεα

34 Τα αμινοξέα είναι τα δομικά στοιχεία των πρωτεϊνών 34 αμιδικος

35 Τα αμινοξέα είναι τα δομικά στοιχεία των πρωτεϊνών Πεπτιδικός δεσμός 35 νουκλ.

36 Τα νουκλεοτίδια είναι τα δομικά στοιχεία του DNA και του RNA 36 Φ διεστερικος

37 Τα νουκλεοτίδια είναι τα δομικά στοιχεία του DNA και του RNA 37 μακρομορια

38 Τα μακρομόρια στα κύτταρα Τα μακρομόρια περιέχουν μια ειδική αλληλουχία υπομονάδων Το ακριβές σχήμα ενός μακρομορίου καθορίζεται από μη ομοιοπολικούς δεσμούς Οι μη ομοιοπολικοί δεσμοί επιτρέπουν σ ένα μακρομόριο να συνδέεται με άλλα επιλεγμένα μόρια 38 περιεκτηκοτητα

39 Τα μακρομόρια στα κύτταρα 39 πολυμερισμος

40 Τα μακρομόρια στα κύτταρα 40 πολυμερισμος

41 Τα μακρομόρια περιέχουν μια ειδική αλληλουχία υπομονάδων 41 3Δ

42 Το ακριβές σχήμα ενός μακρομορίου καθορίζεται από μη ομοιοπολικούς δεσμούς 1. ιοντικοί 2. δεσμοί υδρογόνου 3. ελκτικές δυνάμεις van der Waals 4. υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις 42 γονιδιωματικη

43 1.4 Η γονιδιωματική επανάσταση μετασχηματίζει τη βιοχημεία, την ιατρική και άλλα γνωστικά πεδία Ελάττωση του κόστους αλληλούχησης του DNA μέσω του Προγράμματος του Ανθρώπινου Γονιδιώματος (Human Genome Project). Το κόστος για την αλληλούχηση του DNA ολοένα και μειώνεται. Με την έλευση νέων μεθόδων, το κόστος έπεσε δραματικά, και σήμερα πλέον ανέρχεται σε <1.000 δολάρια για μια πλήρη αλληλούχιση. 43 πρωτεινες

44 Οι γονιδιακές αλληλουχίες κωδικεύουν πρωτεΐνες, αλλά και τα και πρότυπα έκφρασής τους Υπολογίζεται οτι μόνο το 3% του γονιδιώματος κωδικεύει πρωτείνες 44 μοναδικοτητα

45 Κάθε άτομο έχει μια μοναδική αλληλουχία ζευγών βάσεων DNA. Πόσο ακριβώς διαφέρουμε μεταξύ μας σε επίπεδο Γονιδιώματος? Η εξέταση της γονιδιωματικής ποικιλότητας αποκαλύπτει ότι κατά μέσο όρο, δύο άτομα διαφέρουν περίπου 0,5%. Η μέση διαφορά μεταξύ δύο ατόμων μιας εθνοτικής ομάδας είναι μεγαλύτερη από τη διαφορά μεταξύ των μέσων όρων δύο διαφορετικών εθνοτικών ομάδων. Η γονιδιωματική ανάλυση διαπιστώνει και προβλέπει ασθένειες. 45 γεωγραφια

46 Με τη σύγκριση των γονιδιακών αλληλουχιών διαφορετικών ατόμων και πληθυσμών, μπορούμε να μάθουμε πολλά για την ανθρώπινη ιστορία. Π.χ Πού εμφανίστηκε το ανθρώπινο είδος (Αφρική) και πότε συντελέστηκαν οι μεγάλες πληθυσμιακές μεταναστεύσεις. Η σύγκριση του ανθρώπινου γονιδιώματος με εκείνα άλλων οργανισμών επιβεβαιώνει εκπληκτική ομοιότητα και αποκαλύπτει τα σημαντικά βήματα της εξέλιξης. 46 περιβαλλον

47 Περιβαλλοντικοί παράγοντες επηρεάζουν την ανθρώπινη βιοχημεία. Μολονότι η γενετική μας σύσταση (όπως και εκείνη των μικροβιωμάτων μας) αποτελεί σημαντικό παράγοντα που συνεισφέρει στην ευαισθησία σε νοσήματα και άλλα χαρακτηριστικά, εν τούτοις, εξίσου σημαντικό ρόλο παίζουν και οι παράγοντες του περιβάλλοντος. Η έκφραση «είμαστε ό,τι τρώμε» συνιστά στην πραγματικότητα μια σημαντική αλήθεια!!! 47 δομες

48 Μοριακοί τύποι και τα μοντέλα με σφαίρες και ράβδους Μαύρο = άνθρακας, κόκκινο = οξυγόνο, άσπρο =υδρογόνο, κίτρινο = θείο, μπλε = άζωτο