Τα τείχη έχουν πέσει: Κυτταρική Βιολογία, Βιοχημεία, Γενετική γέννησαν τη σύγχρονη Βιοϊατρική. Βιοχημεία Ι Α-2

Transcript

1 Περιεχόμενο της σύγχρονης Βιοχημείας Η περιγραφή της δομής, της οργάνωσης και της λειτουργίας του κυττάρου σε μοριακό επίπεδο Η διερεύνηση της σχέσης δομής-λειτουργίας των βιομορίων Η μελέτη του μεταβολισμού Η Μοριακή Γενετική Βιοχημεία Ι Α-1

2 Τα τείχη έχουν πέσει: Κυτταρική Βιολογία, Βιοχημεία, Γενετική γέννησαν τη σύγχρονη Βιοϊατρική Βιοχημεία Ι Α-2

3 Τα περισσότερα βραβεία Nobel στην Ιατρική απονέμονται σε εργαστηριακές ανακαλύψεις Βιοχημεία Ι Α-3

4 Η Βιοχημεία είναι πεδίο διεπιστημονικό Η σύγχρονη Βιοχημεία αντλεί τα ερωτήματά της, αλλά και τις αρχές και τα εργαλεία που χρησιμοποιεί από: 1. Οργανική Χημεία (περιγραφή βιομορίων) 2. Βιοφυσική (πειραματικές μετρήσεις) 3. Ιατρική (μοριακή βάση ασθενειών) 4. Διατροφολογία (μεταβολισμός) 5. Mικροβιολογία (χρήση μονοκύτταρων οργανισμών και ιών ως προτύπων για μελέτη μεταβολικών πορειών και ρυθμιστικών μηχανισμών) 6. Φυσιολογία (βιολογικές λειτουργίες σε επίπεδο ιστού και οργανισμού) 7. Κυτταρική Βιολογία (τοπολογική και χρονολογική κατανομή βιοχημικών διεργασιών μέσα στο κύτταρο) 8. Γενετική (μηχανισμοί που καθορίζουν την ταυτότητα του κυττάρου ή του οργανισμού) Βιοχημεία Ι Α-4

5 Η Βιοχημεία σαν χημική επιστήμη Living things are composed of lifeless molecules (Albert Lehninger) Βιοχημεία Ι Α-5

6 Η Βιοχημεία σαν επιστήμη της ζωής Ποια είναι τα χαρακτηριστικά που διακρίνουν τη ζώσα ύλη Η κινητικότητα; OΧΙ αναγκαστικά Η πολυπλοκότητα; ΟΧΙ-πολύπλοκα μόρια απαντώνται και σε άλλα συστήματα Μοναδικά χαρακτηριστικά της ζώσας ύλης είναι: 1. H συνεχής ανανέωση αυστηρά οργανωμένων σχηματισμών που συνοδεύεται από αύξηση της πολυπλοκότητάς τους 2. Η κατανάλωση ενέργειας που χρησιμοποιείται για διεργασίες που δεν ευνοούνται λόγω αύξησης της εντροπίας (π.χ. αναδίπλωση πρωτεινών)-η εξάρτηση από το περιβάλλον 3. Η δυνατότητά της να αντιγράφει τον εαυτό της (π.χ. αντιγραφή DNA) Βιοχημεία Ι Α-6

7 Η διαμερισματοποίηση είναι χαρακτηριστικό των ευκαρυωτικών κυττάρων Διαμέρισμα Πλασματική μεμβράνη Πυρήνας Πυρηνίσκος Ενδοπλασματικό δίκτυο Συσκευή Golgi Μιτοχόνδρια Λυσοσώματα Κύριες λειτουργίες Μεταφορά ιόντων και μορίων Αναγνώριση μορίων Υποδοχείς μορίων Κυτταρική μορφολογία και κίνηση Σύνθεση και διόρθωση DNA Σύνθεση RNA Επεξεργασία RNA και ριβοσωμική σύνθεση Μεμβρανική σύνθεση Σύνθεση πρωτεϊνών και λιπιδίων Τροποποίηση και διαλογή πρωτεϊνών Έξοδος πρωτεϊνώνν Διατήρηση ενέργειας Κυτταρική αναπνοή Οξείδωση υδατανθράκων και λιπιδίων Σύνθεση ουρίας και αίμης Κυτταρική αποικοδόμηση: Υδρόλυση πρωτεϊνών, υδατανθράκων, λιπιδίων, νουκλεϊκών οξέων Περοξυσώματα Οξειδωτικές αντιδράσεις με συμμετοχή Ο 2 Μικροσωληνίσκοι και μικροϊνίδια Κυτταρόπλασμα Κυτταρικός σκελετός Κυτταρική μορφολογία Κυτταρική κινητικότητα Ενδοκυττάριες κινήσεις Μεταβολισμός υδατανθράκων, λιπιδίων, αμινοξέων και νουκλεοτιδίων Πρωτεϊνική σύνθεση Βιοχημεία Ι Α-7

8 Οι ιδιότητες των βιομορίων απεικονίζουν την καταλληλότητά τους για τις συνθήκες υπό τις οποίες αναπτύσσεται η ζωή Τα βιομόρια και οι υπομονάδες τους έχουν συγκεκριμένη φορά Τα βιομόρια περιέχουν πληροφορίες Τα βιομόρια υιοθετούν χαρακτηριστική χωροδιάταξη Η δομή και οι αλληλεπιδράσεις των βιομορίων βασίζονται σε ασθενείς δυνάμεις Βιοχημεία Ι Α-8

9 Η αμινοξική αλληλουχία των πρωτεϊνών καθορίζει την τριτοταγή δομή τους Βιοχημεία Ι Α-9

10 Οι νόμοι της Θερμοδυναμικής καθορίζουν την κατεύθυνση των βιολογικών μεταβολών Βιοχημεία Ι Α-10

11 Η ΔG μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να προβλέψει την κατεύθυνση μιας μεταβολής σε δεδομένες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης ΔG=ΔΗ-ΤΔS Βιοχημεία Ι Α-11

12 Βιοχημεία Ι Α-12

13 ΔG σε σχέση με τις συγκεντρώσεις αντιδρώντων και προϊόντων ΔG o πρότυπη μεταβολή G Σε ισορροπία ΔG=0 Βιοχημεία Ι Α-13

14 Η ΔG o δύο διαδοχικών αντιδράσεων προστίθεται-συζευγμένες αντιδράσεις Γλυκόζη + ATP 6-φωσφορική γλυκόζη + ADP ΔG o = cal/mol 6-φωσφορική γλυκόζη 6-φωσφορική φρουκτόζη ΔG o = cal/mol Γλυκόζη + ATP 6-φωσφορική φρουκτόζη + ADP ΔG o = cal/mol Η προσθετική ιδιότητα των μεταβολών της ελεύθερης ενέργειας είναι πολύ σημαντική σε βιοχημικές πορείες που μεταβολίζουν υποστρώματα προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, γιατί επιτρέπει σε θεωρητικά μη αυθόρμητες αντιδράσεις να λάβουν χώρα Α Β Γ Δ. Βιοχημεία Ι Α-14

15 Θερμοδυναμικά ευνοούμενες μεταβολές δεν είναι αναγκαστικά ταχείες Υπόστρωμα Ενέργεια ενεργοποίησης Ε α = G a - G e Προϊόν Άλλο αυθόρμητη, άλλο κινητικά ταχεία-η διάσταση του χρόνου Βιοχημεία Ι Α-15

16 Οι χημικοί δεσμοί των βιομορίων αντανακλούν την ενεργειακή τους κατάσταση Οι ομοιοπολικοί δεσμοί αντιπροσωπεύουν ηλεκτρονιακά ζεύγη και είναι οι ισχυρότεροι δεσμοί, αλλά Οι ασθενείς δεσμοί έχουν ιδιαίτερη σημασία για τη δομή και τις αλληλεπιδράσεις των βιομορίων Βιοχημεία Ι Α-16

17 Ενεργειακό περιεχόμενο διαφόρων δεσμών Ομοιοπολικός δεσμός Υδρογονοδεσμοί Ιοντικές αλληλεπιδράσεις Άλλες μη ομοιοπολικές αλληλεπιδράσεις Βιοχημεία Ι Α-17

18 Συχνά μπορεί να υπάρχουν πολλαπλοί συνδυασμοί των ομοιοπολικών δεσμών ενός μορίου Δομές συντονισμού βενζολίου Βιοχημεία Ι Α-18

19 Οι ασθενείς δεσμοί Ποια η φύση τους? Ποιο το ενεργειακό τους περιεχόμενο? Ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις: 20 kj/mole Υδρογονοδεσμοί: kj/mole Van der Waals: kj/mole Υδροφοβικές αλληλεπιδράσεις: <40 kj/mole Επειδή ο αριθμός τους είναι μεγάλος, η συνολική ενεργειακή τους συνεισφορά είναι πολύ σημαντική Βιοχημεία Ι Α-19

20 Ηλεκτροστατική αλληλεπίδραση E=q 1 q 2 /Dr Βιοχημεία Ι Α-20

21 Ένα απομονωμένο μόριο αλανίνης σε διάλυμα

22 Δεσμοί υδρογόνου Δότης Δέκτης Βιοχημεία Ι Α-22

23 Βιοχημεία Ι Α-23

24 Δεσμοί υδρογόνου στο νερό Βιοχημεία Ι Α-24

25 Βιοχημεία Ι Α-25

26 Βιοχημεία Ι Α-26

27 Βιοχημεία Ι Α-27

28 Βιοχημεία Ι Α-28

29 Βιοχημεία Ι Α-29

30 Ενέργεια Η αλληλεπίδραση van der Waals Βιοχημεία Ι Α-30

31 Κανονικές Ακτίνες Van der Waals (A) Στοιχείο Ακτίνα H 1.2 C 1.7 N 1.5 O 1.4 P 1.9 S 1.9 CH 3 2.0

32 Βιοχημεία Ι Α-32

33 Συχνά η αλληλεπίδραση βιομορίων βασίζεται στη συμπληρωματικότητα της δομής τους Η μοριακή αναγνώριση διαμεσολαβείται από ασθενείς δεσμούς Μοντέλο κλειδιού-κλειδαριάς Βιοχημεία Ι Α-33

34 Το νερό σαν διαλύτης βιομορίων Η ζωή έχει τα γνωστά χαρακτηριστικά της επειδή το νερό είναι το μέσον στο οποίο αναπτύσσεται Σημαντικές ιδιότητές του: 1. Η τάση του να σχηματίζει υδρογονοδεσμούς 2. Ο διπολικός του χαρακτήρας Βιοχημεία Ι Α-34

35 Οι συνέπειες της δημιουργίας δικτύου υδρογονοδεσμών από το νερό 1. Υψηλό σημείο ζέσης 2. Μεγάλη θερμότητα εξάτμισης 3. Μεγάλο ιξώδες 4. Μεγάλη επιφανειακή τάση 5. Υψηλή διηλεκτρική σταθερά Βιοχημεία Ι Α-35

36 Δεσμοί υδρογόνου στο νερό Βιοχημεία Ι Α-36

37 Υδρόφοβα μόρια σε υδατικό περιβάλλον Όταν ένα μη πολικό μόριο διαλυθεί σε νερό "oργανώνει" τα μόρια νερού που το περιβάλλουν Το πλέγμα υδρογονοδεσμών των μορίων νερού αναδιοργανώνεται για να "αντιμετωπίσει " το μη πολικό μόριο Αυξάνεται η τάξη των μορίων νερού γύρω από το μη πολικό μόριο Μειώνεται η ENΤΡΟΠΙΑ αυτών των μορίων νερού Αποτέλεσμα: Ένας κλωβός μορίων νερού εγκλείει το υδρόφοβο μόριο Βιοχημεία Ι Α-37

38 Υδροφοβικό φαινόμενο: Όταν μη πολικές ομάδες (ή μόρια) έρχονται σε επαφή μεταξύ τους, η εντροπία του νερού αυξάνεται γιατί μόρια νερού απελευθερώνονται από τους κλωβούς, που έχουν οργανώσει γύρω από το άπολο μόριο και όπου έχουν μεγαλύτερη τάξη Κινούσα δύναμη για την αναδίπλωση των πρωτεϊνών Μη πολικό μόριο Μη πολικό μόριο Μη πολικό μόριο Μη πολικό μόριο Βιοχημεία Ι Α-38

39 Ισολευκίνη Πολυπεπτιδικός κορμός Λευκίνη Υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις Βιοχημεία Ι Α-39

40 Αναδίπλωση βιομορίου σε υδατικό διάλυμα Αν πολικές ομάδες εμφανιστούν στο εσωτερικό είναι πάντα ανά ζεύγη, σχηματίζοντας ή δεσμούς υδρογόνου ή γέφυρες άλατος. Αν μη πολικές εμφανιστούν στην επιφάνεια μπορεί να οφείλεται στο περιβάλλον ή σε αλληλεπιδράσεις

41 Ιονισμός του νερού-ioντικές ισορροπίες Οξέα και βάσεις: Δότες και δέκτες πρωτονίων Ισχυρά/Ασθενή οξέα και βάσεις Ιονισμός του νερού [H + ][OH-] = Kw = 1 x 10-4 M 2 ph = -log[h + ] Η διατήρηση σταθερού ph έχει ιδιαίτερη σημασία για την ομοιοστασία των οργανισμών και... για τη διεξαγωγή βιολογικών δοκιμασιών στο εργαστήριο Βιοχημεία Ι Α-41

42 Ασθενή οξέα/βάσεις HA <=> A - + H + [H + ][A-] /[HA]= Ka pk a = -logk a [H + ][OH-] = Kw = 1 x 10-4 M 2 Βιοχημεία Ι Α-42

43 Ρυθμιστικά διαλύματα Μείγματα ασθενών οξέων/βάσεων (π.χ. CH 3 COOH/CH 3 COO - ) Η εξίσωση Henderson-Hasselbalch περιγράφει τη χημική σύσταση ρυθμιστικού διαλύματος σαν συνάρτηση του ph ph = pka + log {[A-]/[HA]} Αντιστέκονται σε μεταβολές ph όταν προστίθεται οξύ ή βάση Η περιοχή διατήρησης σταθερού ph είναι pk±1 Ισοδύναμα ΟΗ - Βιοχημεία Ι Α-43

44 Ρυθμιστικά διαλύματα στον ανθρώπινο οργανισμό ΡΔ Οξύ Συζυγής βάση Κύρια Θέση ρύθμισης αιμοσφαιρίνη HHb Hb - ερυθροκύτταρα πρωτεΐνες HProt Prot - ενδοκυττάρια φωσφορικά Η 2 ΡΟ 4 - ΗΡΟ 4 2- ενδοκυττάρια διττανθρακικά CO 2 H 2 CO 3 HCO 3 - εξωκυττάρια Βιοχημεία Ι Α-44

45 Πολυαμφολύτες και πολυηλεκτρολύτες Μεγαλομόρια που περιέχουν πολλές βασικές και όξινες ομάδες ονομάζονται πολυαμφολύτες, π.χ. πρωτεϊνες, ορμόνες Μεγαλομόρια που φέρουν πολλές ομοειδώς φορτισμένες ομάδες (μόνο θετικό ή μόνο αρνητικό φορτίο) ονομάζονται πολυηλεκτρολύτες. Ειδικά πολυπεπτίδια, π.χ. πολυλυσίνη, πολυγλουταμικό και τα νουκλεϊκά οξέα είναι πολυηλεκτρολύτες. Βιοχημεία Ι Α-45

46 Οι πολυηλεκτρολύτες και οι πολυαμφολύτες συμπεριφέρονται σαν μακροϊόντα σε διάλυμα Απωστικές αλληλεπιδράσεις (νουκλεϊκά οξέα) Ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις (ιστόνες με DNA) Άπωση Πρωτεΐνη Βιοχημεία Ι Α-46 Έλξη