Biohemijski i mikrobiološki principi I DEO Prof.dr Danijela Kojić uvod biomolekuli ugljeni hidrati aminokiseline i proteini lipidi nukleinske kiseline enzimi i regulacija enzimske aktivnosti bioenergetika 1
Uvod, biomolekuli -jedinstvo živog sveta na biohemijskom novou - biološki makromolekuli i metaboliti - metabolički procesi Biomolekuli molekuli koji izgradjuju živi svet uglavnom su organski molekuli potrebno je znati osnovne pojmove iz opšte i organske hemije 2
Atomi i elementi struktura atoma protoni elektroni neutroni naelektrisanje jezgro elektronske orbitale elementi (isti proj protona u jezgru) masa Relativna atomska/molekulska masa struktura atoma Elementi koji izgrađuju animalnu ćeliju 3
u biomolekulima uglavnom ugljenik (C) kiseonik (O) vodonik () Figure 2-6: Electron configuration of the three most common elements in the body 4
Biomolekuli su uglavnom organska jedinjenja, a organska jedinjenja su jedinjenja ugljenika tetrahedralni C atom sa 4 jednostruke veze; jedinstvena mogućnost medjusobnog povezivanja i formiranje dugačkih lanaca prstena emijska jedinjenja karakterišu hemijske veze i funkcionalne grupe hemijske veze jonska, kovalentna, slabe interakcije molekuli - sastavljeni iz atoma povezanih hemijskim vezama funkcionalne grupe grupe atoma koje nekoj grupi organskih jedinjenja daju karakteristične osobine hidroksilna, karbonilna, karboksilna, amino, sulfhidril (tiol) 5
Kovalentna veza formiranje zajedničkog elektronskog para dva C atoma dele zajednički elektronski par u kovalentnoj vezi. Moguća rotacija oko jednostruke veze dva C atoma povezana dvostrukom vezom su bliza, nema rotacije oko dvostruke veze (planarna struktura) Polarna i nepolarna kovalentna veza Nepolarne i polarizovane kovalentne veze polarizovana kovalentna veza izmešu atoma različitih elektronegativnosti, parcijalna naelektrisanja (δ + ili -) elektronegativnost svojstvo atoma da privlači elektrone iz zajedničkog elektroskog para u kovalentnoj vezi u vezi sa mestom u periodnom sistemu 6
Jonska veza i joni veza između metala i nemetala gubitak elektrona pozitivni joni (katjoni) primanje elektrona negativni joni (anjoni) privlačenje suprotnih naelektrisanja jonska veza Funkcionalne grupe u biomolekulima Odgovorne za mnoge osobine biomolekula, kao što su rastvorljivost i reaktivnost Prisustvo funkcionalne grupe u molekulu definiše pripadnost određenoj grupi jedinjenja, kao: alkoholi, aldehidi, ketoni, karboksilne kiseline, etri, estri, anhidridi, amini, amidi i sulfhidrilna jedinjenja 7
Naelektrisane funkcionalne grupe Kisele, negativno naelektrisane funkcionalne grupe Bazne, pozitivno naelektrisane funkcionalne grupe emijske reakcije -u biološkim sistemima- oksido-redukcije - prenos elektrona sa donora na akceptor prenos grupa raskidanje veza - u prisustvu vode (hidroliza) ili nezavisno od vode preraspodela unutar molekula - izomerizacija sintetske reakcije - energija ATP-a ili ekvivalentan izvor hemijske energije 8
Opšta karakteristika oksidoredukcionih reakcija je da oslodađaju energiju (promene u slobodnoj energiji) Više redukovani molekuli Više oksidovani molekuli Prema molekulskoj masi biomolekuli su mali molekuli Mr < 1500 Da, alkoholi, aldehidi i ketoni, organske kiseline Uloga: monomerni molekuli -šećeri, aminokiseline, nukleotidi metaboliti (intermedijeri metaboličkih procesa) 9
ili veliki molekuli Mr >10 000 Da - makromolekuli polimeri sastavljeni iz velikog broja monomernih molekula povezanih kovalentnim vezama polisaharidi (polimeri monosaharida) proteini (polimeri aminokiselina) nukleinske kiseline (polimeri nukleotida) uloga makromolekula strukturna katalitička informaciona Molekularna organizacija ćelije kompleksni biomolekuli izgrađeni od jednostavnijih 10
Biohemija hemija života biohemija proučava procese u živim sistemima hemijskereakcije između biomolekula opisuje strukturu, organizaciju i funkcionalnost ćelije na molekulskom nivou strukturna hemija metabolizam molekularna genetika Voda biološki rastvarač -Prema rastvorljivosti u vodi imamo hidrofilna i hidrofobna jedinjenja - Ova osobina biomolekula u vezi sa njihovom biološkom funkcijom 11
Voda je polaran molekul Vodonična veza ( veza) 12
UGLJENI IDRATI -struktura i funkcija- Ugljeni hidrati Funkcije: strukturne komponente biljaka, vezivno tkivo životinja, ćelijski zid bakterija, spoljašnji omotač beskičmenjaka, gradivne komponente biomolekula izvor energije rezervna regulatorna - učestvuju u procesima komunikacije među ćelijama, molekulsko prepoznavanje 13
Podela prema veličini molekula i složenosti monosaharidi disaharidi oligosaharidi polisaharidi Monosaharidi Polihidroksilni aldehidi i ketoni sa 3-7 C atoma Opšta formula C n ( 2 O) n (ima izuzetaka) 14
Izomerija monosaharida asimetrični(hiralni) C atom stereoizomerija enantiomeri epimeri anomeri optička izomerija Enantiomeri Izvedena D i L serija monosaharida 15
Epimeri Anomeri- pentozei heksozemogu da formiraju prstenaldehidna(keto) grupa reaguju sa udaljenom O grupom glukoza formira intramolekulski hemiacetal, piranozni prsten (po piranu) prvi C atom (anomerni) postaje hiralni a nova, poluacetalna O grupa, može biti u alfa ili beta položaju O CO 1 C 2 C 3 C 4 C 5 O O O C 2 O 6 D-glucose (linear form) ciklične forme se predstavljaju aworth-ovim formulama 4 O 6C 2 O 5 O O 3 2 O α-d-glucose 5 O O 1 4 O 1 O O 6 C 2 O 3 2 O β-d-glucose 16
Mutarotacija: promena ugla skretanja ravni polarizovane svetlosti zbog prelaska (izomerizacije) α - u ß - anomer glukoze (i obratno). Anomeri glukoze (α- i ß-) imaju različite uglove skretanja, a ravnoteža se uspostavlja kada je 64% ß -oblika i 36 % α -oblika. fruktoza ketoza, formira petočlani prsten, furanozni (po furanu) O 1 2 3 4 5 6 C 2 O C C C C O O O C 2 O O 2 C 5 6 O O O 4 3 1 C 2 O 2 O D-fructose (linear) α-d-fructofuranose 17
Konformacioni izomeri Derivati šećera redukcijom šećerni alkoholi oksidacijom oksiduje se C1 ili O grupa na C6, nastaju karboksilne kiseline od glukoze - glukonska ili glukuronska kiselina 18
C 2 O COO CO C O C O C O C 2 O D-ribitol C O O C C C O O C 2 O D-gluconic acid C O O C C C O O COO D-glucuronic acid aminošećeri hidroksilna grupa je zamenjena amino grupom (npr. glukozamin) amino grupa može biti acetilovana (sa sirćetnom kiselinom, npr. N- acetilglukozamin ) C 2 O O O O O N 2 α-d-glucosamine C 2 O O O O O O N C C 3 α-d-n-acetylglucosamine 19
deoksi šećeri - umesto O grupe 1 CO 2 O O 3 2 C O O 4 O 5C 2 O O O O 1 CO 2 3 O 4 O 5C 2 O O 2 C O O O D-ribose 2-Deoxy-D-ribose 1 CO 2 O 3 O 4 O 5 O 6 C 2 O L-Galactose 4 O 6 5 O C 2 O O 3 O O 2 1 1 CO 2 6 O 3 5 O C 4 4 3 O 5 O O 3 6 C 3 O 6-Deoxy-L-Galactose (fucose) O O O 2 1 Disaharidi sadrže O - glikozidnu vezu 20
ako se povezuje poluacetalna O grupa jednog monosaharida i O grupa drugog monosaharida, samo ne poluacetalna, nastaju redukujuci šećeri (maltoza) ako se povezuju poluacetalne O grupe oba monosaharida nastaju neredukujući šećeri (saharoza) 21
Oligosaharidi 22
Polisaharidi prema strukturi Polisaharidi prema funkciji rezervni skrob glikogen strukturni celuloza hitin glikozaminoglikani peptidoglikani (polisaharidi bakterijskog ćelijskog zida) 23
Skrob rezervni polisaharid biljaka Amiloza linearna frakcija skroba 24
Amilopektin razgranata frakcija skroba Glikogen rezervni polisaharid životinja 25
Celuloza strukturni polisaharid biljaka Glikozaminoglikani (mukopolisaharidi) nerazgranati heteropolisaharidi strukturna funkcija kod životinja hijaluronskakiselina (hrskavica, koža, vezivno tkivo) hondroitin sulfat (hrskavica, koža, vezivno tkivo) antikoagulans heparin 26
Kompleksi šećera i proteina proteoglikani (protein + glikozaminoglikani) ekstraćelijska tečnost sinovijalna tečnost hrskavica glikoproteini(protein + oligosaharid) membranski proteini ekstracelularni proteini peptidoglikani (peptidi + polisaharid NAM-NAG) ćelijski zid bakterija 27
Proteoglikani Protein sa kovalentno vezaim glikozaminoglikanima. Mnoge forme prisutne u gotovo svim ekstracelularnim tečnostima i vezivnom tkivu. Obezbeđuju hidrataciju, mogućnost trpljenja pritiska na tkivo. Peptidoglikani Gust ugljenohidratni omotač nekih epitelnih ćelija. Čine ga glikolipidi i glikoproteini plazma membrane. 28
PROTEINI -struktura i funkcija- PROTEINI uključeni u skoro sve aktivnosti ćelije, otuda ime od grčke reči proteos-prvi, najvažniji Uloge: gradivne komponente (kolagen) transportni molekuli (b, lipoproteini, transferin) katalizatori (enzimi) učestvuju u odbrani organizma (antitela) regulatorni molekuli (hormoni) 29
Proteini su polipeptidni lanci izgrađeni od aminokiselina polimeri izgrađeni od aminokiselina povezanih peptidnim vezama broj, vrsta i redosled aminokiselina u polipeptidnom lancu je genetski determinisan Aminokiseline gradivne komponente proteina neke mogući izvor energije prekursori važnih metabolita sa azotom (adrenalin, hem, purinske i pirimidinske baze) Metabolizam aminokiselina 30
Strukturna formula aminokiselina Opšta formula aminokiselina α-aminokarbonske kiseline L-izomeri oko 20 različitih aminokiselina ulazi u sastav proteina amino acid Fischer projection 31
Proteinske amino kiseline Esencijalne i nesencijalne aminokiseline Arginin često se navodi i kao esencijalna aminokiselina, iako se odvija u organizmu njegova biosinteza. Zbog velikih potreba za ovom aminokiselinom biosinteza ne može da zadovolji sve potrebe. 32
Jonizacija aminokiselina Aminokiseline mogu da deluju kao puferi* *puferi smeše slabe kiselne i njene konjugovane baze, ili slabe baze i njene konjugovane kiseline, sposobne da se odupru promeni p pri dodatku jake baze ili jake kiseline 33
Formiranje peptidne veze Rezonantne formule koje opisuju peptidnu vezu OSOBINE parcijalno dvostruki karakter planarna i nema slobodne rotacije čini kičmu polipeptidnog lanca omogućava formiranje polipeptidnog lanca (dipeptid, tripeptid polipeptid) određujeprimarnu strukturu proteina-broj, vrsta i redosled (sekvenca) aminokiselina 34
dipeptid Polipeptid (peptid) 35
Polipeptidni lanac ima N- i C-kraj Proteini Proteini funkcionalni polipeptidni lanci 36
Struktura proteina primarna struktura (polipeptidni lanac) sekundarna struktura (α- i β- zavojnica) tercijarna struktura (globula) kvarterna struktura (više globula-subjedinica) Proteini imaju četiri nivoa strukture 37
Primarna struktura proteina insulin protein izgrađen od dva polipeptidna lanca hormon koji reguliše nivo šećera u krvi Sekundarna struktura proteina α heliks 38
Sekundarna struktura proteina β-nabrana struktura...još neki oblici sekundarne strukture zavojnice ukosnice supersekundarni motivi - heliks 39
Tercijalna struktura proteina tercijalna (nativna ) struktura konformacija polipeptidnog lanca određena primarnom strukturom hirdofobe aminokiseline u unutrašnjosti globule, polarne i naelektrisane spolja denaturacija narušavanje tercijalne strukture, praćena gubitkom aktivnosti reverzibilns i ireverzibilna denaturacija Kvaterna struktura proteina Protein sastavljen iz dva ili više polipeptidnih lanaca Primer proteina mioglobin (tercijalni nivo strukture) emoglobin (kvaterni nivo strukture) 40
Proteini mogu biti prosti i složeni prosti samo aminokiseline složeni sadrže atom metala ili mali organski molekul (ligand ili prostetična grupa) glikoproteini lipoproteini nukleoproteini metaloproteini hromoproteini fosfoproteini Subjedinica hemoglobina (ima ih 4) apoprotein (proteinski deo) hem (prostetična grupa) 41
LIPIDI LIPIDI eterogena grupa biomolekula sa zajedničkom osobinom da su: jedinjenja malo rastvorljiva u vodi (nepolarni molekuli), a dobro rastvorna u organskim rastvaračima 42
Uloga lipida rezerva energije gradivne komponente ćelijskih membrana izolacija(nervno vlakno) vitamini(a, D, E, K) regulatorni molekuli hormoni (steroidni) eikozanoidi (prostaglandini, leukotrieni, tromboksani) Klase lipida -prema strukturi- triacilgliceroli(masti i ulja) glicerofosfolipidi sfingolipidi steroidi eikozanoidi 43
Masne kiseline važni konstituenti različitih klasa lipida organske kiseline (-COO) sa dugačkim alifatičnim lancem hemijski različite strukture različita dužina lanca (najčešće 16 i 18 C-atoma) zasićene i nezasićene (sa jednom ili više dvostrukih veza, u trans ili cis položaju) Soli masnih kiselina (sapuni)- amfipatična jedinjenja polarna glava i nepolarni rep 44
nomenklatura masnih kiselina 45
Ponašanje polarnih lipida u vodi u vodenomrastvorupolarni lipidigrade micele (npr. soli masnih kiselina)ili lipidne dvosloje(više karakteristično za glicerofosfolipide i sfingolipide) Orjentacija hirofobnih delova molekula po principu slično se u sličnom rastvara liposomi Triacilgliceroli (trigliceridi) estarska veza (izmedju karboksilne i alkoholne grupe) monoacil-, diacil-, triacilgliceroli sa većim sadržajem zasićenih masnih kiselinam masti sa većin sadržajem nezasićenih masnih kiselinam- ulja 46
idroliza triacilglicerola ( + ili enzimska kataliza) glicerol i masne kiseline Saponifikacija (bazna hidroliza) glicerol i soli masnih kiselina (sapuni) C 2 C C 2 O O O O C (C 2 ) 16 C 3 O C O C (C 2 ) 16 C 3 + 3 NaO (C 2 ) 16 C 3 C 2 C C 2 O O O O + 3Na + - O C (C 2 ) 14 C 3 salts of fatty acids (soaps) Masne kapi u adipocitima rezerva energije, izolacija rezerva energije (masne kiseline) nepolarna jedinjenja grade lipidne kaplice u adipocitima u adipocitima se odvija i sinteza masnih kiselina i razgradnja (koja je hormonski regulisana) 47
Voskovi estrim. k. i viših alkohola potpuno nerastvorljivi u vodi strukturna i zaštitna uloga Fosfoacilgliceroli (glicerofosfolipidi) dve hidroksilne grupe glicerola esterifikovan sa masnim kiselinama treća hiroksilna grupa esterifikovan fosfornom kiselinom (fosfatidna kiselina) za fosfornu kiselinu različita jedinjenja (sa jonizovanim grupama) polarna jedinjenja 48
Primeri glicerofosfolipida fosfatidilholin - lecitin fosfatidiletanolamin - kefalin fosfatidilserin fosfatidilinozitol Sfingolipidi alkohol - sfingozin ceramid - sfingozin + masna kiselina sfingomijelin - ceramid + fosforna kiselina + holin (etanolamin) cerebrozidi, gangliozidi - ceramid + šećer 49
Polarni i nepolarni deo molekula 50
Klasifikacija lipida Lipidi kao konstituenti bioloških membrana Fluidno-mozaični model plazma membrane -tečan lipidni dvosloj -uronjeni proteini u lipidnom dvosloju -asimetrija ugljohidratne komponente 51
Glikosfingolipidi glikolipidi membrane eritrocita osnova ABO krvnih grupa Steroidi steroidno jezgro (tri šestočlana prstena i jedan petočlani) holesterol(slobodan ili vezan) soli zučnih kiselina(emulgatori) hormoni(kore nadbubrega, polni) vitamin D 52
olesterol olesterol je prekursor steroidnih jedinjenja O O C 3 O O O C 3 O Progesterone O Cholesterol O Cortisol O O O O O Testosterone C 2 Estradiol O O Vitamin D 53
i žučnih kiselina Eikozanoidi deluju slično hormonima, ali lokalno (lokalni medijatori) sintetišu se od polinezasićenih masnih kiselina (20 C atoma) prostaglandini, tromboksani, leukotrieni 54
Lipoproteini-kompleksi proteina i lipida -transport lipida u telesnim tečnostima -hidrofobni lipidi (triacilgliceroli, estar holesterola) u jezgru; -hidrofilni lipid (neesterifikovani holesterol, fosfolipidi) na površini Klase serumskih lipoproteina prema gustini ilomikroni, VLDL LDL DL > 30 nm 20 2222 nm 9 15 nm Lipoproteini u lumenu krvnog suda 55
Nukleinske kiseline -nosioci naslednih informacija- karakteristike svih živih organizama obnavljanje samoreplikacija(razmnožavanje) nukleinske kiseline potencijal samoreplikacije nosioci naslednih osobina vrste ribonukleinske kiseline(rnk) dezoksiribonukleinske kiseline (DNK) 56
Funkcija nukleinskih kiselina u ćeliji: -DNK je nosilac naslednih informacija u ćeliji -RNK učestvuju u prenošenju tih informacija i njihovom prevođenju u proteine. -RNK je nolisac naslednih informacija kod nekih virusa. Nukleotid monomerna jedinica nukleinskih kiselina Sastav nukleotida: pentoza(riboza, dezoksiriboza) azotna baza (purinske, pirimidinske) fosforna kiselina 57
Građa nukleozida i nukleoida ostatak fosforne kiseline nukleotid azotna baza šećer pentoza nukleozid Azotne baze koje ulaze u sastav nuklotida 58
Nukleinske kiseline su polimeri nukleotida fosfodiestarskavezapovezuje nukleotideu polinukleotidni lanac nukleinskih kiselina DNK Dvostrukui polinukleotidni lanac povezan vodoničnim vezama između komplementarnih baza 59
Pakovanje DNK u hromozome genetska informacija je u redosledu nukleotida (baza) u nukleinskim kiselinama gen odredjenasekvencadnk koja nosi informaciju genom skup svih gena jednog organizma 60
Genetički kod Triplet baza na DNK KOD Triplet baza na irnk KODON => Jezik za prenošenje poruka od DNK do proteina. Jedinica je niz od tri baze koji nosi informaciju za 1 AK Triplet baza na trnk ANTIKODON (antikodon je komplementaran kodonu) Centralna dogma molekularne biologije DNK se prepisuje u RNK, a RNK se prevodi u protein- 61
Replikacija početak replikacije kod prokariota i eukariota Replikacija udvajanje molekula DNK semikonzervativan proces Replikaciona viljuška DNK polimeraza kreće se duž starog lanca u 3-5 pravcu, tako da je elongacija novog lanca u 5-3 pravcu 62
Transkripcija sinteza RNK sa DNK templata - sinteza RNK po principu komlementarnosti baza 63
Translacija sinteza proteina - Prevođenje polinukleotidnog zapisa u redosled aminokiselina u polipeptidnom lancu Peptidna veza Vodonična veza 64