Biochemia / Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer. – wyd
advertisement
Biochemia / Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer. – wyd. 4, dodr. – Warszawa, 2011 Spis treści Przedmowa v Część I MOLEKULARNY WZÓR śYCIA Rozdział 1 Biochemia: ewoluująca nauka 1.1 Biochemiczna jedność stanowi podłoŜe biologicznej róŜnorodności 1.2 DNA obrazuje zaleŜność między formą i funkcją DNA jest zbudowany z czterech rodzajów cegiełek Dwie pojedyncze nici DNA łączą się tworząc dwuniciową helisę Budowa DNA wyjaśnia jego funkcję nośnika i przekaźnika informacji genetycznej 1.3 Właściwości cząsteczek biologicznych są wyjaśniane w kategoriach chemicznych Dwuniciowa helisa powstaje z nici składowych Wiązania kowalencyjne i niekowalencyjne pełnią istotną rolę w strukturze i stabilności cząsteczek biologicznych Dwuniciową helisa tworzy się zgodnie z prawami chemicznymi Zasady termodynamiki decydują o zachowaniu się układów biochemicznych Powstawaniu dwuniciowej helisy towarzyszy uwolnienie ciepła Reakcje typu kwas-zasada odgrywają istotną rolę w wielu procesach biochemicznych Reakcje typu kwas-zasada mogą rozerwać dwuniciową helisę Bufory regulują pH w organizmach i laboratoriach 1.4 Rewolucja genomowa zmienia biochemię i medycynę Zsekwencjonowanie genomu człowieka stanowi kamień milowy w historii ludzkości Sekwencje genomowe kodują białka i decydują o wzorze ekspresji genów Wpływ środowiska na geny człowieka DODATEK: Prezentacja struktur cząsteczkowych I: małe cząsteczki 1 1 4 4 5 Rozdział 2 Skład i struktura białek 2.1 Białka są zbudowane z zestawu 20 aminokwasów 2.2 Struktura pierwszorzędowa: aminokwasy połączone wiązaniami peptydowymi tworzą łańcuchy polipeptydowe Białka mają ściśle określone sekwencje aminokwasowe, zgodne z zapisem genetycznym Łańcuchy polipeptydowe są elastyczne i rownocześnie konformacyjnie ograniczone 2.3 Struktura drugorzędowa: Łańcuchy polipeptydowe mogą się zwijać w regularne struktury typu helisy alfa, harmonijki beta, wstęga-zwrot-wstęga i pętli 25 27 5 6 6 7 10 11 12 14 15 16 17 18 18 20 22 34 36 37 40 Helisa alfa jest skręconą strukturą, stabilizowaną wiązaniami wodorowymi w obrębie łańcucha Struktura harmonijki β jest stabilizowana wiązaniami wodorowymi między łańcuchami polipeptydowymi Łańcuchy polipeptydowe mogą zmieniać kierunek tworząc struktury typu wstęga-zwrot-wstęga i pętli Białka fibrylarne stanowią strukturalną podporę komórek i tkanek 2.4 Struktura trzeciorzędowa: białka rozpuszczalne w wodzie zwijają się w ściśle upakowane struktury z niepolarnym rdzeniem 2.5 Struktura czwartorzędowa: łańcuchy polipeptydowe mogą się składać w struktury złoŜone z wielu podjednostek 2.6 Sekwencja aminokwasowa białka określa jego strukturę przestrzenną Aminokwasy róŜnią się skłonnościami do tworzenia helis alfa, struktur beta i zwrotów beta Nieprawidłowe zwijanie się białka i jego agregacja wiąŜą się z niektórymi chorobami neurologicznymi Zwijanie się białek jest procesem wysoce kooperatywnym Zwijanie się białek jest procesem nieprzypadkowym i zachodzi w drodze postępującej stabilizacji form pośrednich Przewidywanie przestrzennej struktury białek na podstawie ich sekwencji jest trudnym wyzwaniem Białka uzyskują nowe zdolności przez modyfikację i rozcinanie DODATEK: Prezentacja struktur cząsteczkowych II: białka Rozdział 3 Poznawanie białek i proteomów Proteom jest funkcjonalnym przedstawicielem genomu 3.1 Oczyszczanie białek jest pierwszym, podstawowym etapem poznawania ich funkcji Test: jak rozpoznać poszukiwane białko? Białka przed oczyszczeniem trzeba wyizolować z komórki Białka moŜna oczyszczać, wykorzystując ich rozpuszczalność, wielkość, ładunek i powinowactwo wiązania Białka moŜna rozdzielić i uwidocznić, stosując elektroforezę Ŝelową Wydajność procesu oczyszczania białka na poszczególnych etapach moŜna ocenić ilościowo Ultrawirowanie jest cenną metodą rozdzielania biocząsteczek i oznaczania ich masy cząsteczkowej 3.2 Sekwencję aminokwasów moŜna oznaczyć techniką zautomatyzowanej degradacji Edmana Białka moŜna rozcinać na małe peptydy w celu ułatwienia sekwencjonowania Sekwencje aminokwasowe dostarczają róŜnego rodzaju informacji Technologia rekombinacji DNA zrewolucjonizowała sekwencjonowanie białka 3.3 Immunologia wprowadziła waŜne techniki wykorzystywane w badaniu białek MoŜna produkować przeciwciała dla specyficznych białek Łatwo otrzymać przeciwciała monoklonalne o dowolnej poŜądanej swoistości 40 42 44 45 46 49 50 52 53 55 55 57 57 61 65 66 66 67 67 68 71 74 76 78 80 82 83 84 84 85 Białka moŜna wykrywać i oznaczać ilościowo, stosując test immunologiczny na podłoŜu stałym Technika western umoŜliwia wykrycie białek rozdzielonych za pomocą elektroforezy Ŝelowej Markery fluorescencyjne pozwalają uwidocznić białka w komórkach 3.4 Peptydy moŜna syntetyzować automatycznie na stałym podłoŜu 3.5 Spektrometria mas jest bardzo skuteczną metodą pozwalającą scharakteryzować i zidentyfikować białko Masę cząsteczkową białek moŜna dokładnie oznaczyć metodą spektrometrii mas Poszczególne składniki duŜych kompleksów białkowych moŜna identyfikować metodą spektrometrii mas MALDI-TOF 3.6 Strukturę przestrzenną białek moŜna oznaczyć za pomocą krystalografii rentgenowskiej i spektroskopii NMR Krystalografia rentgenowska ujawnia szczegóły struktury na poziomie atomowym Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego ujawnia strukturę białek w roztworze Rozdział 4 DNA, RNA i przepływ informacji genetycznej 4.1 Kwas nukleinowy składa się z czterech rodzajów zasad przyłączonych do rdzenia cukrowo-fosforanowego RNA i DNA róŜnią się składnikiem cukrowym i jedną z zasad Nukleotydy są monomerycznymi jednostkami kwasów nukleinowych 4.2 Para łańcuchów kwasów nukleinowych o komplementarnych sekwencjach moŜe tworzyć dwuniciową helisę Podwójną helisę stabilizują mostki wodorowe i oddziaływania hydrofobowe Podwójna helisa ułatwia wierne przekazywanie informacji dziedzicznej Dwuniciowa helisa ulega odwracalnemu topnieniu Niektóre cząsteczki DNA są koliste i superhelikalne Jednoniciowe cząsteczki kwasów nukleinowych mogą tworzyć złoŜone struktury 4.3 Replikację DNA katalizują polimerazy według instrukcji matrycy Polimeraza DNA katalizuje tworzenie wiązań fosfodiestrowych Geny niektórych wirusów zbudowane są z RNA 4.4 Ekspresja genów jest przekształceniem informacji zawartej w DNA w funkcjonalne cząsteczki W ekspresji genów kluczową rolę odgrywa kilka rodzajów RNA Wszystkie komórkowe RNA są syntetyzowane przez polimerazy RNA Polimerazy RNA czerpią instrukcje z matrycy DNA Transkrypcja rozpoczyna się w pobliŜu miejsc promotorowych i kończy się w miejscach terminacji Transportujący RNA pełni funkcje cząsteczki adaptorowej w procesie biosyntezy białka 4.5 Aminokwasy są kodowane przez grupy trzech zasad. Ich odczytywanie zaczyna się w określonym punkcie Główne cechy kodu genetycznego Informacyjny RNA zawiera sygnały start i stop do syntezy białka Kod genetyczny jest prawie uniwersalny 87 88 89 90 93 93 94 96 96 98 107 108 108 109 111 111 113 114 115 116 117 117 118 119 119 120 121 122 123 124 125 126 126 4.6 Większość genów eukariotów jest mozaiką intronów i egzonów Dojrzewanie RNA prowadzi do powstania funkcjonalnych mRNA Wiele egzonów koduje domeny białkowe 127 128 128 Rozdział 5 Poznawanie genów i genomów 5.1 Podstawowe narzędzia wykorzystywane w poznawaniu genów Enzymy restrykcyjne rozcinają DNA na specyficzne fragmenty Fragmenty restrykcyjnie moŜna rozdzielać elektroforetycznie w Ŝelu i uwidaczniać Najczęściej sekwencjonuje się DNA przez kontrolowaną germinację replikacji Metody syntezy na stałym podłoŜu pozwalają automatycznie syntetyzować sondy DNA i geny Wybrane sekwencje DNA moŜna wielokrotnie powielać, stosując reakcję łańcuchową polimeryzacji (PCR) PCR jest potęŜnym narzędziem w diagnostyce medycznej, sądownictwie i w badaniu ewolucji molekularnej 5.2 Technologia rekombinacji DNA zrewolucjonizowała wszystkie dziedziny biologii Enzymy restrykcyjne i ligaza DNA są podstawowymi narzędziami w tworzeniu zrekombinowanych cząsteczek DNA Plazmidy i fag lambda są dogodnymi wektorami do klonowania DNA w bakteriach Sztuczne chromosomy bakteryjne i droŜdŜowe Poszczególne geny moŜna klonować po enzymatycznym trawieniu genomowego DNA Przez bezpośrednie zmiany w DNA moŜna tworzyć białka o nowych funkcjach 5.3 Poznano i przeanalizowano sekwencje całych genomów Poznano kompletne sekwencje genomowe wielu organizmów - od bakterii do wielokomórkowych eukariotów Ukończono sekwencjonowanie genomu człowieka Genomika porównawcza stała się potęŜnym narzędziem badawczym Poziom ekspresji genów moŜna badać w szerokim zakresie 5.4 Techniki inŜynierii genetycznej pozwalają precyzyjnie manipulować genami eukariotycznymi DNA syntetyzowany na matrycy mRNA (cDNA) moŜe ulegać ekspresji w komórkach gospodarza Nowe geny wprowadzone do komórek eukariotycznych mogą ulegać wydajnej ekspresji Geny wprowadzone do komórek zarodkowych ulegają ekspresji w transgenicznych zwierzętach Uszkodzenie genu prowadzi do poznania jego funkcji Interferencja RNA jest nowym narzędziem wyciszania ekspresji genów Aby wprowadzić nowe geny do komórek roślinnych, wykorzystuje się plazmidy indukujące guzy Terapia genowa jest obiecującym narzędziem medycyny 134 135 135 Rozdział 6 Poznawanie ewolucji i bioinformatyka 136 138 139 140 142 142 143 144 146 146 147 149 149 150 151 152 152 153 154 155 156 157 157 158 164 6.1 Cechy homologiczne pochodzą od wspólnego przodka 6.2 Analiza statystyczna przyrównań sekwencji moŜe wykryć homologię Istotność statystyczną przyrównania sekwencji moŜna oszacować przez tasowanie Odlegle pokrewieństwo ewolucyjne moŜna wykryć uŜywając macierzy substytucji W celu zidentyfikowania sekwencji homologicznych moŜna przeszukiwać bazy danych 6.3 Badanie struktury przestrzennej wzbogaca naszą wiedzę o ewolucyjnym pokrewieństwie Struktura trzeciorzędowa jest bardziej konserwatywna niŜ pierwszorzędowa Wiedza o budowie przestrzennej moŜe pomóc w ocenie przyrównania sekwencji Przyrównanie sekwencji do niej samej pozwala wykryć powtórzone motywy Ewolucja konwergentna: te same rozwiązania na podobne wyzwania biochemiczne Porównanie sekwencji RNA moŜe dać wgląd w struktury drugorzędowe 6.4 Na podstawie informacji zawartej w sekwencjach moŜna konstruować drzewa ewolucyjne 6.5 Nowoczesne techniki umoŜliwiają eksperymentalne badanie procesów ewolucyjnych StaroŜytny DNA moŜna czasami amplifikować i sekwencjonować Ewolucję molekularną moŜna badać eksperymentalnie Rozdział 7 Hemoglobina: portret białka w działaniu 7.1. Mioglobina i hemoglobina wiąŜą tlen przez atom Ŝelaza w hemie Budowa mioglobiny zapobiega uwalnianiu reaktywnych form tlenu Hemoglobina ludzka jest układem czterech podjednostek podobnych do mioglobiny 7.2. Hemoglobina wiąŜe tlen kooperatywnie Wiązanie tlenu wyraźnie zmienia strukturę czwartorzędową hemoglobiny Kilka modeli pozwala potencjalnie wytłumaczyć kooperatywność hemoglobiny Zmiany strukturalne w grupach hemowych są przekazywane do strefy kontaktu między dimerami α1β 1-α2β2 W erytrocytach 2,3-bisfosfoglicerynian jest najwaŜniejszym regulatorem powinowactwa hemoglobiny do tlenu 7.3. Efekt Bohra: protony i dwutlenek węgla sprzyjają uwalnianiu tlenu 7.4. Mutacje w genach kodujących podjednostki hemoglobiny mogą być przyczyną choroby Przyczyną anemii sierpowatej jest agregacja nieprawidłowych cząsteczek deoksyhemoglobiny Talasemia jest spowodowana niezrównowaŜonym wytwarzaniem łańcuchów hemoglobiny Erytrocyty zapobiegają akumulacji wolnych łańcuchów α hemoglobiny W genomie ludzkim znajdują się geny kodujące równieŜ inne globiny DODATEK: Modele wiązania moŜna sformułować w kategoriach 165 166 168 168 171 172 173 174 174 175 176 177 178 178 178 183 184 185 186 187 188 189 190 190 192 194 195 196 197 197 ilościowych: wykres Hilla i model jednoprzejściowy 199 Rozdział 8 Enzymy: podstawowe pojęcia i kinetyka 8.1 Enzymy są potęŜnymi i specyficznymi katalizatorami Do aktywności wielu enzymów konieczne są kofaktory Enzymy przekształcają jedną formę energii w drugą 8.2 Energia swobodna jest funkcją termodynamiczną uŜyteczną w zrozumieniu działania enzymów Zmiana energii swobodnej dostarcza informacji o spontaniczności reakcji, nie zaś o jej szybkości Standardowa zmiana energii swobodnej reakcji jest związana ze stałą równowagi Enzymy zmieniają szybkość reakcji, nie mając wpływu na jej równowagę 8.3 Enzymy przyspieszają reakcję, ułatwiając tworzenie stanu przejściowego Pierwszym etapem katalizy enzymatycznej jest utworzenie kompleksu enzym-substrat Miejsca aktywne enzymów mają pewne cechy wspólne Energia wiązania enzymu z substratem jest istotna dla katalizy 8.4 Model Michaelisa-Menten opisuje właściwości kinetyczne wielu enzymów Kinetyka to badanie szybkości reakcji Opis kinetyki enzymów jest ułatwiony, gdy załoŜymy osiągnięcie stanu stacjonarnego Wartości KM i Vmax moŜemy wyznaczyć na kilka sposobów Wartości KM i Vmax są waŜnymi właściwościami enzymów Wydajność katalityczną enzymów charakteryzuje Kkat/KM Większość reakcji biochemicznych dotyczy kilku substratów Enzymy allosteryczne działają niezgodnie z kinetyką Michaelisa-Menten 8.5 Enzymy mogą być hamowane przez specyficzne cząsteczki Inhibitory odwracalne są kinetycznie rozróŜnialne Inhibitory nieodwracalne mogą być uŜyte do mapowania miejsca aktywnego enzymu Analogi stanu przejściowego są silnymi inhibitorami enzymów Przeciwciała katalityczne pokazują, jak waŜne jest selektywne wiązanie stanu przejściowego dla aktywności enzymatycznej Penicylina nieodwracalnie inaktywuje istotny enzym syntezy ścian komórkowych bakterii DODATEK: Enzymy klasyfikuje się na podstawie typów katalizowanych reakcji 205 206 207 207 Rozdział 9 Strategie katalityczne Kilka podstawowych zasad katalizy dotyczy wielu enzymów 9.1 Proteazy ułatwiają zasadniczo trudną reakcję Chymotrypsyna zawiera niezwykle reaktywną resztę seryny Działanie chymotrypsyny przebiega w dwóch etapach połączonych przez kowalencyjnie związany produkt pośredni Seryna jest częścią triady katalitycznej, obejmującej równieŜ histydynę i kwas asparaginowy 241 242 243 243 208 208 208 210 211 212 214 215 216 216 217 220 220 221 223 224 225 226 228 231 232 232 236 244 245 Triady katalityczne występują w innych enzymach hydrolitycznych Triadę katalityczną szczegółowo poznano dzięki zastosowaniu ukierunkowanej mutagenezy Innymi głównymi klasami enzymów proteolitycznych są proteazy cysteinowe, aspartylowe i metaloproteazy Inhibitory proteaz są waŜnymi lekami 9.2 Anhydrazy węglanowe przyspieszają szybką reakcję Anhydraza węglanowa zawiera związany jon cynku, kluczowy dla aktywności katalitycznej Kataliza wymaga aktywacji wody przez cynk Wahadło protonowe ułatwia szybką regenerację aktywnej formy enzymu Ewolucja konwergentna: w róŜnych anhydrazach węglanowych powstały miejsca aktywne oparte na cynku 9.3 Enzymy restrykcyjne przeprowadzają wysoce specyficzne reakcje rozcinania DNA Rozcinanie polega na naprzeciwległym zastąpieniu tlenu 3' przy fosforze cząsteczką wody aktywowaną magnezem Aktywność katalityczna enzymów restrykcyjnych wymaga obecności magnezu Kompletny aparat katalityczny powstaje tylko w obrębie cząsteczek swoistego DNA, zapewniając specyficzność Wspólną cechą enzymów restrykcyjnych typu II jest rdzeń katalityczny, a ich pokrewieństwo wynika prawdopodobnie z horyzontalnego transferu genów 9.4. Kinazy monofosforanów nukleozydów katalizują reakcję wymiany grup fosforanowych bez udziału hydrolizy Kinazy NMP naleŜą do rodziny enzymów zawierających pętlę P Rzeczywistymi substratami zasadniczo wszystkich enzymów zaleŜnych od NTP są kompleksy magnezu (lub manganu) z tri fosforanami nukleozydów Związanie ATP indukuje duŜe zmiany konformacyjne Występujące w NTPazach domeny zawierające pętlę P są obecne w wielu waŜnych białkach Rozdział 10 Strategie regulacyjne 10.1 Karbamoilotransferaza asparaginianowa jest hamowana allosterycznie przez produkt końcowy swojego szlaku Enzymy regulowane allosterycznie nie podlegają zasadom kinetyki Michaelisa-Menten Karbamoilotransferaza asparaginianowa składa się z odrębnych podjednostek katalitycznych i regulatorowych W oddziaływaniach allosterycznych w ATCazie pośredniczą duŜe zmiany struktury czwartorzędowej Regulacje allosteryczne modulują stan równowagi między formami T i R 10.2 Izozymy odpowiadają za regulację metabolizmu specyficzną dla róŜnych tkanek i stadiów rozwojowych 10.3 Modyfikacja kowalencyjna to sposób regulacji aktywności enzymów Fosforylacja jest bardzo skutecznym sposobem regulacji aktywności białek docelowych 248 250 251 253 254 255 256 257 258 259 260 262 263 266 267 267 268 269 270 275 276 277 277 278 281 283 283 284 Cykliczny AMP aktywuje kinazę białkową A, zmieniając jej strukturę czwartorzędową Miejscem wiązania ATP i białka docelowego jest głęboka bruzda w podjednostce katalitycznej kinazy białkowej A 10.4 Wiele enzymów jest aktywowane w drodze specyficznej proteolizy Chymotrypsyna jest aktywowana przez specyficzną hydrolizę jednego wiązania peptydowego Aktywacja proteolityczna chymotrypsynogenu prowadzi do powstania miejsca wiązania substratu Powstanie trypsyny z trypsynogenu prowadzi do aktywacji innych zymogenów Niektóre enzymy proteolityczne mają specyficzne inhibitory Krzepnięcie krwi zachodzi dzięki kaskadzie aktywacji zymogenów Trombina przekształca fibrynogen w skrzep fibrynowy Protrombina jest podatna na aktywację dzięki modyfikacji zaleŜnej od witaminy K Hemofilia przyczyniła się do poznania pierwszych etapów krzepnięcia krwi Proces krzepnięcia krwi musi być precyzyjnie regulowany Rozdział 11 Węglowodany 11.1 Monosacharydy są aldehydami bądź ketonami z wieloma grupami hydroksylowymi Pentozy i heksozy tworzą pierścienie furanozowe i piranozowe Konformacja pierścieni piranozowych i furanozowych Monosacharydy łączą się z alkoholami i aminami przez wiązania glikozydowe Ufosforylowane cukry są kluczowymi intermediatami w procesach wytwarzania energii i biosyntezach 11.2 Węglowodany złoŜone są zbudowane z monosacharydów Sacharoza, laktoza i maltoza są powszechnie występującymi disacharydami Glikogen i skrobia są łatwo uruchamianymi formami zapasowymi glukozy Celuloza jest głównym polimerem strukturalnym roślin, złoŜonym z liniowych łańcuchów reszt glukozy Glikozoaminoglikany są anionowymi łańcuchami polisacharydowymi utworzonymi przez powtarzające się jednostki dwucukrowe Za syntezę oligosacharydów odpowiadają specyficzne enzymy 11.3 Węglowodany mogą być przyłączone do białek, tworząc glikoproteiny Węglowodany mogą być przyłączone do białek przez resztę asparaginy (wiązanie N-glikozydowe) lub reszty seryny czy treoniny (wiązanie O-glikozydowe) Glikozylacja białek zachodzi w świetle retikulum endoplazma tycznego oraz aparatu Golgiego Błędy w glikozylacji mogą prowadzić do stanów patologicznych MoŜna oznaczyć „sekwencję" oligosacharydów 11.4 Lektyny są specyficznymi białkami wiąŜącymi węglowodany Lektyny uczestniczą w oddziaływaniach między komórkami Wirus grypy wiąŜe się do reszt kwasu sjalowego 287 288 288 289 290 291 291 293 293 295 296 297 303 304 306 308 309 310 310 310 311 312 312 314 316 316 317 318 319 320 320 321 Rozdział 12 Lipidy i błony biologiczne Pomimo swej róŜnorodności błony biologiczne mają wiele cech wspólnych 12.1 Kwasy tłuszczowe stanowią główne składniki lipidów błonowych Nazwy kwasów tłuszczowych pochodzą od wyjściowych węglowodorów Kwasy tłuszczowe róŜnią się długością łańcucha i stopniem nienasycenia 12.2 W błonach biologicznych występują trzy powszechne typy lipidów Fosfolipidy stanowią główną klasę lipidów błonowych Lipidy błonowe mogą zawierać reszty cukrowe Cholesterol jest lipidem zawierającym steroidowy rdzeń Błony archeonów są zbudowane z eterowych lipidów z rozgałęzionymi łańcuchami Lipidy błonowe są cząsteczkami amfipatycznymi zawierającymi reszty fydrofilowe i hydrofobowe 12.3 Fosfolipidy i glikolipidy łatwo tworzą w środowisku wodnym warstwy bimolekularne (dwuwarstwy) Pęcherzyki lipidowe (liposomy) mogą powstawać z fosfolipidów Dwuwarstwy lipidowe są wysoce nieprzepuszczalne dla jonów i większości cząsteczek polarnych 12.4 Większość procesów w błonach biologicznych zachodzi z udziałem białek Białka błonowe są związane z dwuwarstwą lipidową w róŜny sposób Białka w róŜny sposób oddziałują z błoną Niektóre białka wiąŜą się z błoną poprzez kowalencyjnie przyłączone do nich grupy hydrofobowe Obecność helis transbłonowych moŜna przewidzieć z duŜą dokładnością na podstawie sekwencji aminokwasów 12.5 Lipidy i liczne białka błonowe przemieszczają się szybko wzdłuŜ płaszczyzny błony Model płynnej mozaiki uwzględnia przemieszczanie się wzdłuŜ błony (ruch boczny), ale nie w poprzek (ruch poprzeczny) Płynność błony jest kontrolowana przez skład jej kwasów tłuszczowych i przez zawartość cholesterolu Wszystkie błony biologiczne są asymetryczne 12.6 Komórki eukariotyczne zawierają przedziały komórkowe ograniczone błonami wewnątrzkomórkowymi 326 327 327 327 328 329 329 331 331 Rozdział 13 Kanały i pompy błonowe Ekspresja białek transportujących w duŜej mierze określa metaboliczną aktywność danego typu komórek 13.1 Transport cząsteczek przez błony moŜe być aktywny lub bierny Wiele cząsteczek do przejścia przez błonę potrzebuje białkowych transporterów Energię swobodną gradientu stęŜeń moŜna określić ilościowo 13.2 Dwie rodziny białek błonowych wykorzystują energię hydrolizy ATP do pompowania jonów przez błony ATPazy typu P sprzęgają fosforylację ze zmianami konformacyjnymi do pompowania jonów wapnia przez błonę Ekstrakt z naparstnicy hamuje specyficznie pompę Na+-K+ poprzez blokowanie jej defosforylacji 351 331 332 333 334 335 336 336 336 340 340 342 343 343 345 345 352 352 352 353 354 354 357 ATPazy typu P są konserwatywne ewolucyjnie i pełnią szereg róŜnych funkcji Oporność wielolekowa i mukowiscydoza rzucają światło na rodzinę białek błonowych mających kasetę wiąŜącą ATP 13.3 Permeaza laktozowa jest archetypem transporterów drugiego rzędu wykorzystujących jeden gradient stęŜeń do tworzenia innego gradientu 13.4 Specyficzne kanały mogą szybko transportować jony przez błony Przejściowe zmiany przepuszczalności Na+ i K+ są podstawą potencjału czynnościowego Pomiary przewodnictwa metodą patch-clamp ujawniają aktywność pojedynczych kanałów Budowa kanału potasowego jest archetypem budowy wielu kanałów jonowych Budowa przestrzenna kanału potasowego wyjaśnia przyczyny specyficzności jonowej Budowa kanału potasowego tłumaczy jego duŜą szybkość transportu Bramkowanie potencjałem wymaga znacznych zmian konformacyjnych w określonych domenach kanału jonowego Inaktywacja kanału zachodzi przez zamknięcie poru: model kuli na łańcuchu Receptor acetylocholinowy jest archetypem bramkowanych ligandem kanałów jonowych Potencjał czynnościowy integruje aktywność wielu współpracujących kanałów jonowych 13.5 Połączenia szczelinowe umoŜliwiają przepływ jonów i małych cząsteczek między komunikującymi się komórkami 13.6 Specyficzne kanały zwiększają przepuszczalność niektórych błon dla cząsteczek wody Rozdział 14 Szlaki przekazywania sygnałów Przekazywanie sygnałów zaleŜy od obwodów cząsteczkowych 14.1 Heterotrimeryczne białka G przekazują sygnały i same się regenerują Wiązanie ligandów z receptorami 7TM prowadzi do aktywacji białek G Aktywne białka G przekazują sygnały, wiąŜąc się z innymi białkami Cykliczny AMP (cAMP) stymuluje fosforylację wielu białek docelowych w wyniku aktywacji kinazy białkowej A Białka G wyłączają swą aktywność w wyniku hydrolizy GTP Niektóre receptory 7TM aktywują kaskadę fosfatydyloinozytolu Jon wapnia jest powszechną cytoplazmatyczną cząsteczką sygnałową drugiego rzędu Wapń aktywuje kalmodulinę, białko regulatorowe 14.2 Szlak sygnalizacji insuliny: kaskada fosforylacji jest kluczowa dla wielu procesów przekazywania sygnałów Receptor insulinowy jest dimerem, który ściśle otacza związaną cząsteczkę insuliny Wiązanie insuliny powoduje wzajemną, wewnętrzną fosforylację i aktywację receptora insulinowego Zaktywowana receptorowa kinaza insulinowa rozpoczyna kaskadę 358 358 360 362 362 363 364 365 367 368 369 370 372 373 374 381 382 383 384 385 386 387 388 389 390 391 392 392 aktywacji kinaz Szlak sygnalizacji insuliny jest przerywany przez działanie fosfataz 14.3 Sygnalizacja EGF: szlaki przekazywania sygnałów są przygotowane do odpowiedzi Pod wpływem związania EGF receptor EGF dimeryzuje Karboksylowy koniec receptora EGF ulega fosforylacji Sygnalizacja EGF prowadzi do aktywacji białek Ras, czyli małych białek G Zaktywowane białka Ras inicjują kaskadę kinaz białkowych Białkowe fosfatazy i wewnętrzna aktywność GTPazowa białek Ras wyłączają sygnalizację EGF 14.4 Wiele elementów sygnalizacyjnych powtarza się w róŜnych szlakach przekazywania sygnału 14.5 Zaburzenia w działaniu szlaków sygnalizacyjnych mogą prowadzić do raka i innych schorzeń Przeciwciała monoklonalne mogą być wykorzystane do zahamowania szlaków przekazywania sygnałów aktywnych w komórkach nowotworowych Inhibitory kinaz białkowych mogą być skutecznymi lekami przeciwnowotworowymi Cholera i krztusiec są spowodowane zmianą aktywności białka G 393 395 395 396 397 397 398 398 399 400 401 401 402 Część II PRZEKAZYWANIE I MAGAZYNOWANIE ENERGII Rozdział 15 Metabolizm: podstawowe pojęcia i organizacja 15.1 Metabolizm składa się z wielu sprzęŜonych, wzajemnie powiązanych reakcji Metabolizm składa się z reakcji egzo- i endoergicznych Reakcja termodynamicznie korzystna umoŜliwia przebieg reakcji termodynamicznie niekorzystnej 15.2 Uniwersalnym środkiem wymiany energii swobodnej w układach biologicznych jest ATP Hydroliza ATP jest procesem egzoergicznym Hydroliza ATP przesuwa równowagę reakcji sprzęŜonych Podstawy strukturalne wysokiego potencjału przenoszenia grup fosforanowych przez ATP Potencjał fosforylacyjny jest waŜną formą energii w komórkowych procesach przekształcania energii 15.3 Utlenianie atomów węgla cząsteczek paliwa komórkowego jest waŜnym źródłem energii w komórce Związki o wysokim potencjale fosforylacyjnym mogą sprzęgać utlenianie atomów węgla z syntezą ATP Gradient jonowy w poprzek błony dostarcza komórce waŜnej formy energii, poniewaŜ moŜe być sprzęŜony z syntezą ATP Etapy pobierania energii z poŜywienia 15.4 Te same metabolity, reakcje i strategie regulacyjne obserwujemy w róŜnych szlakach metabolicznych Aktywowane przenośniki są przykładem budowy modułowej I ekonomiczności metabolizmu Wiele zaktywowanych nośników jest pochodnymi witamin 409 410 410 411 412 412 413 415 416 417 418 418 419 420 420 423 Te same kluczowe reakcje powtarzają się w róŜnych szlakach metabolicznych Procesy metaboliczne są regulowane na trzy róŜne sposoby Ewolucja szlaków metabolicznych Rozdział 16 Glikoliza i glukoneogeneza Glukoza jest wytwarzana z węglowodanów zawartych w pokarmie Glukoza jest waŜnym paliwem komórkowym dla większości organizmów 16.1 W wielu organizmach glikoliza jest szlakiem przekształcającym energię Heksokinaza wychwytuje glukozę w komórce i rozpoczyna glikolizę Powstawanie fruktozo-1,6-bisfosforanu z glukozo-6-fosforanu Sześciowęglowy cukier jest rozszczepiany do dwóch trójwęglowych fragmentów Mechanizm: izomeraza triozofosforanowa odzyskuje fragmenty trójwęglowe Utlenienie aldehydu do kwasu napędza powstawanie związku o wysokim potencjale przenoszenia grup fosforanowych Mechanizm: fosforylacja jest ściśle powiązana poprzez tioestrowy produkt pośredni z utlenianiem aldehydu 3-fosfoglicerynowego ATP powstaje poprzez przeniesienie fosforanu z 1,3-bisfosfoglicerynianu Powstawanie pirogronianu i dodatkowej cząsteczki ATP Podczas przekształcenia glukozy w pirogronian powstają dwie cząsteczki ATP Metabolizm pirogronianu prowadzi do regeneracji NAD+ W warunkach beztlenowych fermentacja dostarcza energii, którą moŜna spoŜytkować w innych procesach komórkowych Miejsce wiąŜące NAD+ jest podobne w wielu dehydrogenazach Fruktoza i galaktoza są przekształcane w produkty pośrednie glikolizy Wiele osób dorosłych nie toleruje mleka, poniewaŜ nie ma laktazy Gdy brak transferazy, galaktoza jest silnie toksyczna 16.2 Szlak glikolityczny jest ściśle kontrolowany Przebieg glikolizy w mięśniu podlega regulacji w odpowiedzi na zapotrzebowanie na ATP Regulacja przebiegu glikolizy w wątrobie odzwierciedla jej biochemiczną wszechstronność Rodzina białek przenośników umoŜliwia glukozie wejście do komórek zwierzęcych oraz wyjście z nich Rak i trening fizyczny wpływają w podobny sposób na glikolizę 163 Glukoza moŜe być syntetyzowana z prekursorów innych niŜ węglowodany Glukoneogeneza nie jest odwróceniem glikolizy Przekształcenie pirogronianu w fosfoenolopirogronian rozpoczyna się od utworzenia szczawiooctanu Szczawiooctan przechodzi do cytoplazmy, gdzie przekształca się w fosfoenolopirogronian Przekształcenie fruktozo-1,6-bisfosforanu w fruktozo-6-fosforan i ortofosforan jest etapem nieodwracalnym Wytwarzanie wolnej glukozy jest waŜnym punktem kontroli 425 428 429 433 434 435 435 435 437 438 439 440 442 443 444 446 446 448 448 449 451 451 452 452 455 456 457 458 460 461 462 463 463 Synteza glukozy z pirogronianu zachodzi kosztem sześciu grup fosforanowych o wysokim potencjale przenoszenia 16.4 Glukoneogeneza i glikoliza podlegają przeciwstawnej regulacji Ładunek energetyczny komórki rozstrzyga, który szlak będzie najbardziej aktywny: glikoliza czy glukoneogeneza W wątrobie równowaga pomiędzy glikolizą a glukoneogenezą jest wraŜliwa na stęŜenie glukozy we krwi Cykle substratowe wzmacniają sygnały metaboliczne i wytwarzają ciepło Mleczan i alanina, utworzone podczas skurczu mięśnia, są zuŜywane przez inne narządy Glikoliza i glukoneogeneza są ze sobą powiązane ewolucyjnie Rozdział 17 Cykl kwasu cytrynowego Cykl kwasu cytrynowego odbiera wysokoenergetyczne elektrony 17.1 Dehydrogenaza pirogronianowa łączy glikozę z cyklem kwasu cytrynowego Mechanizm: synteza acetylo-CoA z pirogronianu wymaga trzech enzymów i pięciu koenzymów Elastyczne połączenia umoŜliwiają cząsteczce lipoamidu poruszanie się między róŜnymi miejscami aktywnymi 17.2. Cykl kwasu cytrynowego utlenia jednostki dwuwęglowe Syntaza cytrynianowa tworzy cytrynian ze szczawiooctanu i acetylokoenzymu A Mechanizm: Sposób działania syntazy cytrynianowej zapobiega niepoŜądanym reakcjom Cytrynian ulega izomeryzacji do izocytrynianu Izocytrynian jest utleniany i dekarboksylowany do α-ketoglutaranu Oksydacyjna dekarboksylacja α-ketoglutaranu prowadzi do powstania bursztynylokoenzymu A Kosztem bursztynylokoenzymu A powstaje związek o wysokim potencjale przenoszenia grupy fosforanowej Mechanizm: syntetaza bursztynylo-CoA zmienia formy magazynowania energii Szczawiooctan jest regenerowany przez utlenianie bursztynianu Cykl kwasu cytrynowego generuje elektrony o wysokim potencjale przeniesienia, GTP і CO2 17.3 Zarówno wejście do cyklu kwasu cytrynowego, jak i jego przebieg podlega kontroli Aktywność dehydrogenazy pirogronianowej jest regulowana allosterycznie i przez odwracalną fosforylację Regulacja cyklu kwasu cytrynowego odbywa się w kilku punktach kontrolnych 17.4 Cykl kwasu cytrynowego jest źródłem prekursorów potrzebnych do biosyntez Cykl kwasu cytrynowego musi być szybko uzupełniany Zakłócenie metabolizmu pirogronianu jest przyczyną beri-beri, a takŜe zatrucia rtęcią oraz arsenem Cykl kwasu cytrynowego prawdopodobnie ewoluował z pierwotnie istniejących szlaków metabolicznych 464 464 465 466 467 468 469 475 476 477 478 480 482 482 482 484 484 485 485 486 487 488 490 490 492 493 493 494 495 17.5 Cykl glioksalowy umoŜliwia roślinom i bakteriom wzrost na octanie 495 Rozdział 18 Fosforylacja oksydacyjna Fosforylacja oksydacyjna sprzęga utlenianie paliwa komórkowego z syntezą ATP poprzez gradient protonowy 18.1 W komórkach eukariotycznych fosforylacja oksydacyjna zachodzi w mitochondriach Mitochondria są otoczone podwójną błoną Mitochondria powstały w wyniku endosymbiozy 18.2 Fosforylacja oksydacyjna zaleŜy od transportu elektronów Miarą potencjału przenoszenia elektronów jest potencjał redoks Transport elektronów przez łańcuch oddechowy, napędzany przez róŜnicę potencjałów między NADH i cząsteczką tlenu wynoszącą 1,14 V, wymusza tworzenie gradientu protonowego 18.3 W skład łańcucha oddechowego wchodzą cztery kompleksy: trzy pompy protonowe i kompleks fizycznie związany z cyklem kwasu cytrynowego Elektrony o wysokim potencjale wchodzą do łańcucha oddechowego na poziomie oksydoreduktazy NADH-Q Ubichinol jest miejscem, w którym do łańcucha oddechowego włączane są elektrony FADH2 flawoprotein Elektrony przepływają z ubichinolu do cytochromu с przez oksydoreduktazę Q-cytochrom с Cykl Q przekazuje elektrony z nośnika dwuelektronowego do nośnika jednoelektronowego i pompuje protony Oksydaza cytochromu с katalizuje redukcję tlenu cząsteczkowego do wody Enzymy ochronne usuwają toksyczne pochodne tlenu cząsteczkowego, takie jak rodnik ponadtlenkowy Elektrony mogą być przenoszone pomiędzy grupami nie kontaktującymi się Konformacja cytochromu с pozostała zasadniczo niezmieniona od ponad miliarda lat 18.4 Gradient protonowy zasila syntezę ATP Syntaza ATP składa się z segmentu przewodzącego protony i segmentu katalitycznego Przepływ protonów przez syntazę ATP powoduje uwolnienie ściśle związanego ATP: mechanizm zmiany siły związania Najmniejszy na świecie molekularny motor: kataliza stymulowana przez obrót Przepływ protonów wokół pierścienia с stanowi siłę napędową syntezy ATP Syntaza ATP i białka G mają kilka wspólnych cech 18.5 Przemieszczanie się przez błonę umoŜliwiają liczne systemy wahadłowe (czółenka) Elektrony z cytozolowego NADH wchodzą do mitochondriów za pośrednictwem systemów wahadłowych Wejście ADP do mitochondriów jest sprzęŜone z wyjściem ATP przez translokazę ATP-ADP Mitochondrialne przenośniki metabolitów mają wspólny trzyczęściowy motyw 502 502 503 503 504 506 506 508 509 510 512 512 513 514 517 519 520 520 522 523 524 525 527 527 527 529 530 18.6 Zapotrzebowanie na ATP jest głównym czynnikiem regulującym oddychanie komórkowe Całkowite utlenianie glukozy dostarcza około 30 cząsteczek ATP O szybkości fosforylacji oksydacyjnej decyduje zapotrzebowanie na ATP Regulowane rozprzęŜenie powoduje wytwarzanie ciepła Fosforylację oksydacyjną moŜna hamować na wielu etapach Poznajemy podłoŜe chorób związanych z nieprawidłowym działaniem mitochondriów Mitochondria odgrywają kluczową rolę w procesie apoptozy Przekazywanie energii przez gradienty protonowe: główny motyw bioenergetyki Rozdział 19 Reakcje świetlne fotosyntezy W fotosyntezie następuje przekształcenie energii świetlnej w energię chemiczną 19.1 Fotosynteza odbywa się w chloroplastach Pierwotne reakcje fotosyntezy przebiegają w błonach tylakoidów Chloroplasty powstały w wyniku endosymbiozy 19.2 Absorpcja światła przez chlorofil powoduje przepływ elektronów Specjalna para cząsteczek chlorofilu zapoczątkowuje rozdział ładunków Cykliczny przepływ elektronów powoduje redukcję cytochromu w centrum reakcji 19.3 Podczas fazy świetlnej dwa fotosystemy wytwarzają gradient protonów i NADPH Fotosystem II przenosi elektrony z wody do plastochinonu i wytwarza gradient protonów Cytochrom bf łączy fotosystem II z fotosystemem I Fotosystem I wykorzystuje energię świetlną do wytworzenia zredukowanej ferredoksyny, która jest silnym reduktorem Reduktaza ferredoksyna-NADP+ przekształca NADP+ w NADPH 19.4 Gradient protonów tworzący się w poprzek błony tylakoidu napędza syntezę ATP Chloroplastowa syntaza ATP jest bardzo podobna do mitochondrialnych i prokariotycznych syntaz ATP Cykliczny przepływ elektronów przez fotosystem I prowadzi do wytworzenia ATP zamiast NADPH Absorpcja ośmiu fotonów powoduje powstanie jednej cząsteczki O2, dwóch cząsteczek NADPH i trzech cząsteczek ATP 19.5 Barwniki pomocnicze kierują energię do centrów reakcji Przeniesienie energii rezonansu pozwala przekazać energię z pierwotnego miejsca absorpcji do centrum reakcji Kompleksy zbierające światło zawierają dodatkowe cząsteczki chlorofilu i karotenoidy Komponenty uczestniczące w fotosyntezie wykazują wysoki poziom organizacji Wiele herbicydów hamuje reakcje świetlne fotosyntezy 19.6 Zdolność do przekształcania światła w energię chemiczną jest zjawiskiem bardzo starym 530 530 532 532 533 534 535 535 541 542 542 543 543 544 545 547 548 548 551 551 552 553 554 555 556 557 557 558 559 560 560 Rozdział 20 Cykl Calvina i szlak pentozo- fosforanowy 20.1 W cyklu Calvina heksozy są syntetyzowane z dwutlenku węgla i wody Dwutlenek węgla reaguje z rybulozo-1,5-bisfosforanem i powstają dwie cząsteczki 3-fosfoglicerynianu Aktywność rubisco zaleŜy od jonów magnezu i karbaminianu Katalityczna niedoskonałość: rubisco katalizuje równieŜ niekorzystną reakcję przyłączenia cząsteczki tlenu Z fosfoglicerynianu powstają fosforany heksoz i jest regenerowany rybulozo-1,5-bisfosforan W procesie włączania dwutlenku węgla do heksoz zuŜywane są trzy cząsteczki ATP i dwie cząsteczki NADPH Skrobia i sacharoza są głównymi węglowodanami magazynowanymi w roślinach 20.2 Aktywność cyklu Calvina zaleŜy od warunków środowiska Zmiany stęŜeń protonów i jonów magnezu zaleŜne od światła aktywują rubisco Tioredoksyna odgrywa kluczową rolę w regulacji cyklu Calvina Szlak C4 występujący u roślin tropikalnych przyspiesza fotosyntezę przez gromadzenie dwutlenku węgla Metabolizm kwasowy roślin gruboszowatych umoŜliwia im wzrost w ekosystemach o ograniczonym dostępie wody 20.3 Szlak pentozofosforanowy prowadzi do powstania NADPH i odpowiada za syntezę cukrów pięciowęglowych Podczas przekształcenia glukozo-6-fosforanu w rybulozo-5-fosforan powstają dwie cząsteczki NADPH Szlak pentozofosforanowy i glikoliza są ze sobą połączone za pośrednictwem transketolazy i transaldolazy Mechanizm: Transketolaza i transaldolaza w róŜny sposób stabilizują karboanionowe produkty pośrednie 20.4 Metabolizm glukozo-6-fosforanu jest powiązany z glikolizą przez szlak pentozofosforanowy Szybkość przemian szlaku pentozofosforanowego jest regulowana przez stęŜenie NADP+ Przepływ glukozo-6-fosforanu zaleŜy od zapotrzebowania na NADPH, rybozo-5-fosforan i ATP Odbicie lustrzane: cykl Calvina i szlak pentozofosforanowy 20.5. Dehydrogenaza glukozo-6-fosforanu odgrywa istotną rolę w ochronie komórki przed szkodliwym działaniem reaktywnych form tlenu Niedobór dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej powoduje anemię hemolityczną indukowaną przez leki Niedobór dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej moŜe w pewnych sytuacjach decydować o przewadze ewolucyjnej Rozdział 21 Metabolizm glikogenu Metabolizm glikogenu to regulacja uwalniania i gromadzenia glukozy 21.1 Rozkład glikogenu wymaga wspólnego działania kilku enzymów Fosforylaza katalizuje fosforolityczny rozkład glikogenu i uwolnienie glukozo-1-fosforanu Do rozkładu glikogenu konieczny jest równieŜ enzym usuwający 565 566 567 568 569 570 572 573 574 574 574 575 577 577 577 579 581 583 583 583 585 586 586 587 592 593 593 594 rozgałęzienia Fosfoglukomutaza przekształca glukozo-1-fosforan w glukozo-6-fosforan Wątroba zawiera glukozo-6-fosfatazę, enzym hydrolityczny, który nie występuje w mięśniach Mechanizm: Fosforan pirydoksalu bierze udział w fosforolitycznym rozkładzie glikogenu 21.2 Aktywność fosforylazy regulują oddziaływania allosteryczne i odwracalna fosforylacja Fosforylaza w mięśniach jest regulowana przez wewnątrzkomórkowy ładunek energetyczny W wątrobie fosforylaza wytwarza glukozę wykorzystywaną przez inne tkanki Kinaza fosforylazowa jest aktywowana przez fosforylację i jony wapnia 21.3 Do rozkładu glikogenu potrzebne są sygnały adrenaliny i glukagonu Białko G przekazuje sygnał do rozpoczęcia rozkładu glikogenu W razie konieczności rozpad glikogenu musi być szybko zahamowany Regulacja fosforylazy glikogenowej stała się w trakcie ewolucji bardziej wyrafinowana 21.4 Synteza i degradacja glikogenu przebiegają odrębnymi szlakami UDP-glukoza jest aktywowaną formą glukozy Syntaza glikogenowa katalizuje przeniesienie glukozy z UDP-glukozy do rosnącego łańcucha glikogenu Enzym rozgałęziający tworzy wiązania α-1,6-glikozydowe Syntaza glikogenową jest głównym enzymem regulacyjnym w syntezie glikogenu Glikogen jest wydajną formą magazynowania glukozy 21.5 Rozkład i synteza glikogenu są regulowane wspólnie Fosfataza białkowa 1 odwraca regulacyjny wpływ kinaz na metabolizm glikogenu Insulina stymuluje syntezę glikogenu poprzez aktywację kinazy syntazy glikogenu Metabolizm glikogenu w wątrobie reguluje poziom glukozy we krwi Choroby związane z metabolizmem glikogenu moŜna wyjaśnić biochemicznie Rozdział 22 Metabolizm kwasów tłuszczowych Rozkład i biosynteza kwasów tłuszczowych są swoim odzwierciedleniem pod względem następujących po sobie reakcji chemicznych 22.1 Triacyloglicerole są skondensowanym źródłem energii Lipidy pochodzące z poŜywienia są trawione przez lipazy trzustkowe Lipidy pochodzące z poŜywienia są transportowane w chylomikronach 22.2 Wykorzystanie energii kwasów tłuszczowych wymaga ich obróbki w trzech etapach Triacyloglicerole są hydrolizowane przez lipazy aktywowane hormonami Przed utlenieniem, kwasy tłuszczowe są przyłączane do koenzymu A Karnityna przenosi długie łańcuchy aktywowanych kwasów tłuszczowych do matriks mitochondrialnej Acetylo-CoA, NADH i FADH2 powstają w kaŜdym cyklu utleniania kwasów tłuszczowych 594 595 596 596 598 598 600 600 601 601 603 604 604 604 605 606 607 607 607 608 610 610 611 617 618 619 619 620 621 621 622 623 624 W wyniku całkowitego utlenienia palmitynianu powstaje 106 cząsteczek ATP 22.3 Proces rozkładu kwasów tłuszczowych nienasyconych lub mających nieparzystą liczbę atomów węgla wymaga dodatkowych etapów Do utleniania nienasyconych kwasów tłuszczowych potrzebne są izomeraza i reduktaza Produktem ostatecznej tiolizy łańcuchów kwasów tłuszczowych o nieparzystej liczbie atomów węgla jest propionylo-CoA Witamina B12 zawiera pierścień korynowy i atom kobaltu Mechanizm: mutaza metylomalonylo-CoA katalizuje przegrupowanie prowadzące do powstania bursztynylo-CoA Kwasy tłuszczowe są utleniane takŜe w peroksysomach Kiedy w komórce przewaŜa rozkład tłuszczów, z acetylo-Co powstają ciała ketonowe W niektórych tkankach głównym paliwem komórkowym są ciała ketonowe Zwierzęta nie mogą przekształcać kwasów tłuszczowych w glukozę 22.4 RóŜne szlaki metaboliczne prowadzą do rozkładu i biosyntezy kwasów tłuszczowych Synteza malonylo-CoA jest decydującym etapem biosyntezy kwasów tłuszczowych Produkty pośrednie syntezy kwasów tłuszczowych są przyłączone do białkowego nośnika reszt acylowych Biosynteza kwasów tłuszczowych jest serią reakcji kondensacji, redukcji, odwodnienia i redukcji U zwierząt kwasy tłuszczowe są syntetyzowane przez wielofunkcyjny kompleks enzymatyczny Synteza palmitynianu wymaga 8 cząsteczek acetylo-CoA, 14 cząsteczek NADPH i 7 cząsteczek ATP Cytrynian przenosi grupy octanowe niezbędne do syntezy kwasów tłuszczowych z mitochondriów do cytozolu RóŜne źródła NADPH do syntezy kwasów tłuszczowych Inhibitory syntezy kwasów tłuszczowych mogą być uŜytecznymi lekami 22.5 Karboksylaza acetylo-CoA odgrywa kluczową rolę w regulacji metabolizmu kwasów tłuszczowych Karboksylaza acetylo-CoA jest regulowana stanem komórki Karboksylaza acetylo-CoA jest regulowana przez róŜne hormony 22.6 WydłuŜanie kwasów tłuszczowych i wprowadzanie wiązań nienasyconych to procesy kierowane przez dodatkowe układy enzymatyczne Nienasycone kwasy tłuszczowe powstają z udziałem enzymów związanych z błonami Hormony ikozanoidowe są pochodnymi wielonienasyconych kwasów tłuszczowych Rozdział 23 Przemiana białek i katabolizm aminokwasów 23.1 Białka są degradowane do aminokwasów Rozkład spoŜywanych białek i wchłanianie produktów trawienia białek Białka komórkowe ulegają degradacji z róŜną szybkością 625 626 626 627 628 629 630 631 632 634 634 635 635 636 637 638 638 639 640 640 640 641 642 642 643 649 650 650 651 23.2 Rozpad białek jest ściśle regulowany Ubikwityna piętnuje białka przeznaczone do degradacji Białka piętnowane ubikwityną są rozkładane przez proteasom Rozkład białek moŜe być wykorzystywany w regulacji funkcji biologicznych Szlak ubikwitynacji i proteasom mają odpowiedniki w organizmach prokariotycznych 23.3 Pierwszym etapem degradacji aminokwasów jest usunięcie azotu Grupy a-aminowe są przekształcane w jony amonowe w procesie deaminacji oksydacyjnej glutaminianu Mechanizm: Fosforan pirydoksalu tworzy w aminotransferazach związek pośredni o charakterze zasady Schiffa Aminotransferaza asparaginianowa jest archetypem transaminazy zaleŜnej od pirydoksalu Enzymy zaleŜne od fosforanu pirydoksalu katalizują szeroki wachlarz reakcji Seryna i treonina ulegają bezpośredniej deaminacji Azot z tkanek obwodowych jest transportowany do wątroby 23.4 Większość kręgowców lądowych przekształca jon amonowy w mocznik Cykl mocznikowy rozpoczyna się od powstania karbamoilofosforanu Cykl mocznikowy jest powiązany z glukoneogenezą Enzymy cyklu mocznikowego są spokrewnione z enzymami innych szlaków metabolicznych Wrodzone wady enzymów cyklu mocznikowego powodują hiperamonemię i mogą prowadzić do uszkodzenia mózgu Mocznik nie jest jedynym sposobem usuwania nadmiaru azotu 23.5 Atomy węgla pochodzące z degradowanych aminokwasów pojawiają się w głównych intermediatach metabolicznych Pirogronian jako związek łączący degradację aminokwasów z metabolizmem komórki Szczawiooctan jako związek łączący degradację asparaginianu i asparaginy z metabolizmem komórki Alfa-ketoglutaran jako związek łączący degradację aminokwasów pięciowęglowych z metabolizmem komórki Bursztynylo-CoA łączy degradację kilku aminokwasów niepolarnych z metabolizmem komórki Degradacja metioniny wymaga tworzenia S-adenozylometioniny kluczowego donora grupy metylowej Rozkład aminokwasów rozgałęzionych prowadzi do powstania acetylo-CoA, acetooctanu i propionylo-CoA Do rozkładu aminokwasów aromatycznych konieczne są oksygenazy 23.6 Wrodzone wady metaboliczne mogą zakłócać proces degradacji aminokwasów 651 651 653 654 655 656 656 657 659 659 660 660 661 661 663 664 665 666 666 667 668 668 669 669 670 671 673 Część III SYNTEZA CZĄSTECZEK śYCIA Rozdział 24 Biosynteza aminokwasów Synteza aminokwasów wymaga rozwiązania trzech podstawowych 681 problemów biochemicznych 24.1 Wiązanie azotu: Mikroorganizmy wykorzystują ATP i silne reduktory, aby zredukować azot atmosferyczny do postaci amonowej Kofaktor Ŝelazo-molibdenowy nitrogenazy wiąŜe i redukuje azot atmosferyczny Wbudowanie jonu amonowego do aminokwasów rozpoczyna się od glutaminianu i glutaminy 24.2 Aminokwasy powstają z intermediatów cyklu kwasu cytrynowego i innych głównych szlaków metabolicznych Organizm ludzki syntetyzuje niektóre aminokwasy, lecz pozostałe musi uzyskać wraz z poŜywieniem Asparaginian, alanina i glutaminian powstają przez dodanie grupy aminowej do α-ketokwasów Wspólny etap określa chiralność wszystkich aminokwasów Adenylowany związek pośredni jest konieczny do powstania asparaginy z asparaginianu Glutaminian jest prekursorem glutaminy, proliny i argininy Seryna, cysteina i glicyna powstają z 3-fosfoglicerynianu Tetrahydrofolian przenosi aktywowane fragmenty jednowęglowe o kilku poziomach utlenienia S-adenozylometionina jest głównym donorem grup metylowych Cysteina jest syntetyzowana z seryny i homocysteiny Wysoki poziom homocysteiny towarzyszy chorobom naczyniowym Szikimian i choryzmian są związkami pośrednimi uczestniczącymi w biosyntezie aminokwasów aromatycznych Syntaza tryptofanowa ilustruje przenoszenie tunelowe substratu podczas katalizy enzymatycznej 24.3 Biosynteza aminokwasów regulowana jest na drodze hamowania przez sprzęŜenie zwrotne Rozgałęzione szlaki metaboliczne wymagają złoŜonych mechanizmów regulacji Aktywność syntetazy glutaminowej jest modulowana przez kaskadę enzymatyczną 24.4 Aminokwasy są prekursorami wielu cząsteczek biologicznych Glutation, peptyd γ-glutamylowy, pełni funkcję buforu tiolowego, a takŜe przeciwutleniacza Tlenek azotu, cząsteczka sygnałowa o krótkim czasie półtrwania, powstaje z argininy Porfiryny syntetyzowane są z glicyny i bursztynylo-CoA Niektóre wrodzone zaburzenia metabolizmu prowadzą do akumulacji porfiryn Rozdział 25 Biosynteza nukleotydów Nukleotydy mogą być syntetyzowane de novo lub w ramach szlaków rezerwowych 25.1 Podczas syntezy de novo pierścień pirymidynowy jest budowany z wodorowęglanu, asparaginianu i glutaminy Wodorowęglany i inne utlenione związki węglowe aktywowane są przez fosforylację 682 682 683 685 687 687 688 688 689 690 690 691 693 695 695 695 698 699 699 701 702 703 704 704 706 711 712 712 713 Hydroliza łańcucha bocznego glutaminy jest źródłem jonów amonowych Przenoszenie tunelowe umoŜliwia transport produktów pośrednich pomiędzy centrami aktywnymi enzymu Orotan po połączeniu z pierścieniem rybozy PRPP tworzy nukleotyd pirymidynowy, który następnie zostaje przekształcony w urydylan Nukleotydy mono-, di-, trifosforanowe mogą ulegać wzajemnym przekształceniom CTP powstaje przez aminację UTP 25.2 Zasady purynowe moga być syntetyzowane zarówno de novo, jak i w szlakach rezerwowych Szlak rezerwowy syntezy nukleotydów umoŜliwia znaczną ekonomizację zuŜycia energii Pierścienie purynowe są budowane na rybozylofosforanie Pierścień purynowy budowany jest etapami, podczas których aktywacja przez fosforylację poprzedza wymianę elementów budulcowych AMP i GMP powstają z IMP 25.3 Synteza deoksyrybonukleotydów odbywa się w wyniku redukcji rybonukleotydów z wykorzystaniem mechanizmu rodnikowego Mechanizm: rodnik tyrozylowy ma zasadnicze znaczenie dla aktywności reduktazy rybonukleotydowej Metylacja deoksyurydylanu prowadzi do powstania deoksytymidylanu Reduktaza dihydrofolianowa katalizuje regenerację tetrahydrofolianu, przenośnika grup jednowęglowych Wiele cennych leków stosowanych w terapii przeciwnowotworowej blokuje syntezę deoksytymidylanu 25.4 Regulacja kluczowych etapów biosyntezy nukleotydów odbywa się na zasadzie hamowania w drodze sprzęŜenia zwrotnego Biosynteza pirymidyn jest regulowana przez karbamoilotransferazę asparginianową Synteza nukleotydów purynowych kontrolowana jest w wyniku sprzęŜenia zwrotnego w kilku miejscach Synteza deoksyrybonukleotydów jest kontrolowana poprzez regulację aktywności reduktazy rybonukleotydowej 25.5 Zaburzenia metabolizmu nukleotydów są przyczyną róŜnych chorób Utrata aktywności deaminazy adenozynowej prowadzi do cięŜkiego złoŜonego niedoboru immunologicznego Dna moczanowa powstaje w wyniku wysokiego poziomu moczanu w surowicy Mutacje w genach enzymów, zaangaŜowanych w syntezę nukleotydów na drodze szlaku rezerwowego, są przyczyną występowania zespołu Lescha-Nyhana Niedobór kwasu foliowego wywołuje wadę wrodzoną - rozszczep kręgosłupa Rozdział 26 Biosynteza lipidów błonowych i steroidów 26.1 Kwas fosfatydowy jest wykorzystywany do syntezy fosfolipidów i triacylogliceroli Synteza fosfolipidów wymaga aktywowanego produktu pośredniego Sfingolipidy są syntetyzowane z ceramidu 713 714 714 715 715 716 716 716 717 719 720 720 722 723 724 725 725 725 726 727 727 728 728 729 734 735 736 738 Gangliozydy są sfingolipidami bogatymi w węglowodany, zawierającymi kwasy cukrowe Sfingolipidy zapewniają róŜnorodność struktury i funkcji lipidów Zespół błon szklistych (ang. respiratory distress syndrome) i choroba Taya-Sachsa wynikają z uszkodzenia metabolizmu lipidów 26.2 Synteza cholesterolu z acetylokoenzymu a przebiega w trzech etapach Synteza mewalonianu, który powstaje z aktywowanego pirofosforanu izopentenylu, inicjuje syntezę cholesterolu Skwalen (C30) jest syntetyzowany z sześciu cząsteczek pirofosforanu izopentenylu (C5) Skwalen cyklizuje do cholesterolu 26.3 Regulacja biosyntezy cholesterolu zachodzi na wielu poziomach Lipoproteiny transportują cholesterol i triacyloglicerole w organizmie Określenie poziomu lipoprotein we krwi moŜe słuŜyć celom diagnostycznym Lipoproteiny o małej gęstości odgrywają główną rolę w metabolizmie cholesterolu Receptor LDL jest białkiem transbłonowym o sześciu róŜnych rejonach funkcjonalnych Brak receptora LDL prowadzi do hipercholesterolemii i miaŜdŜycy Biochemiczne podłoŜe klinicznych sposobów obniŜania poziomu cholesterolu 26.4 NajwaŜniejszymi pochodnymi cholesterolu są sole Ŝółciowe i hormony steroidowe Litery określają pierścienie steroidów, a liczby - atomy węgla Steroidy są hydroksylowane przez monooksygenazy cytochromu P450 wykorzystujące NADPH i O2 System cytochromu P450 występuje powszechnie i pełni funkcje ochronne Pregnenolon - prekursor wielu innych steroidów powstaje z cholesterolu w wyniku odszczepienia łańcucha bocznego Progesteron i kortykosteroidy są syntetyzowane z pregnenolonu Androgeny i estrogeny są syntetyzowane z pregnenolonu Witamina D powstaje z cholesterolu dzięki rozerwaniu pierścienia przez światło Rozdział 27 Integracja metabolizmu 27.1 Metabolizm obejmuje sieć połączonych ze sobą szlaków Powtarzające się schematy są powszechne w regulacji metabolizmu Główne szlaki metaboliczne mają specyficzne miejsca kontroli Kluczowe złącza metabolizmu: glukozo-6-fosforan, pirogronian i acetylo-CoA 27.2 KaŜdy organ ma własny profil metaboliczny 273 Sytość i głód wywołują zmiany w metabolizmie Adaptacja metabolizmu do długotrwałego głodowania polega na minimalizacji rozkładu białek Zaburzenia metaboliczne w cukrzycy są spowodowane niedoborem insuliny oraz nadmiarem glukagonu Homeostaza kaloryczna: sposoby regulacji masy ciała 740 740 740 741 741 742 743 744 745 747 747 748 749 750 750 752 752 753 754 754 755 756 762 763 763 764 767 768 772 774 776 777 27.4 Intensywność i czas trwania aktywności fizycznej decydują o wyborze substratów energetycznych 778 27.5 Etanol zmienia metabolizm energetyczny w wątrobie 780 Przemiany etanolu prowadzą do uzyskania nadmiaru NADH 780 Nadmiar etanolu zaburza metabolizm witamin 781 Rozdział 28 Replikacja, naprawa i rekombinacja DNA 28.1 DNA moŜe przyjmować róŜnorodne formy strukturalne Helisa typu A jest szersza i krótsza niŜ helisa typu B Mały i duŜy rowek są pokryte grupami zdolnymi do tworzenia wiązań wodorowych Wyniki badań pojedynczych kryształów DNA ujawniły, Ŝe lokalnie cząsteczka DNA moŜe mieć inną strukturę Z-DNA jest lewoskrętną dwuniciową helisą, której szkielet cukrowo-fosforanowy przypomina zygzak 28.2 Cząsteczka dwuniciowego DNA moŜe się zwinąć w specjalny sposób, tworząc formy superhelikalne Liczba opleceń DNA jest cechą topologiczną określającą stopień skręcenia superhelikalnego Topoizomerazy przygotowują podwójną helisę DNA do rozplecenia Topoizomerazy typu I odpowiadają za relaksację struktur superhelikalnych Wykorzystując hydrolizę ATP, topoizomerazy typu II potrafią wprowadzać do DNA ujemne skręty superhelikalne 28.3 Replikacja polega na syntezie nowej nici DNA z trifosforanów deoksynukleozydów, zgodnie z informacją zapisaną w nici stanowiącej matrycę Wszystkie polimerazy wymagają matrycy oraz startera Wszystkie polimerazy DNA mają podobną strukturę Dwa jony metali związane z polimerazą DNA uczestniczą w reakcji Polimeryzacji Przestrzenne dopasowanie komplementarnych zasad gwarantuje precyzję replikacji DNA Odcinek RNA syntetyzowany przez prymazę jest starterem umoŜliwiającym rozpoczęcie syntezy DNA Jedna z nici DNA powstaje we fragmentach, natomiast druga nić syntetyzowana jest w sposób ciągły Ligaza DNA łączy końce DNA w rejonach dwuniciowych Rozdzielenie nici DNA wymaga specjalnych enzymów - helikaz oraz hydrolizy ATP 28.4 Replikacja DNA jest procesem wymagającym ścisłej synchronizacji Replikacja DNA wymaga polimeraz charakteryzujących się duŜą Procesywnością Nić wiodąca i nić opóźniona są syntetyzowane w skoordynowany sposób Replikacja DNA u E. coli rozpoczyna się w ściśle określonym miejscu genomu Synteza DNA u eukariotów rozpoczyna się w wielu miejscach Telomery to specjalne struktury na końcach liniowych chromosomów Telomery są syntetyzowane przez telomerazę, która jest specjalną 787 788 788 789 790 791 792 793 794 794 795 796 797 797 798 798 799 799 800 800 802 802 803 804 805 807 polimerazą zawierającą własną matrycę 28.5 Wiele typów uszkodzeń DNA podlega naprawie Błędy mogą się pojawić podczas replikacji DNA Przyczyną niektórych chorób genetycznych jest wzrost liczby powtórzeń trójek nukleotydowych Czynniki utleniające, alkilujące, a takŜe światło mogą uszkadzać zasady DNA Uszkodzenia DNA mogą być rozpoznawane i naprawiane przez róŜnorodne systemy naprawcze Obecność tyminy zamiast uracylu w DNA umoŜliwia identyfikację i naprawę deaminowanej cytozyny Przyczyną licznych rodzajów nowotworów złośliwych są niesprawnie działające systemy naprawy DNA Wiele potencjalnych karcynogenów moŜna wykryć za pomocą ich oddziaływania na bakterie 28.6 Rekombinacja DNA odgrywa waŜną rolę w replikacji, naprawie oraz wielu innych procesach Białko RecA inicjuje rekombinację poprzez inwazję nici W trakcie rekombinacji tworzą się struktury Hollidaya Niektóre rekombinazy są ewolucyjnie spokrewnione z topoizomerazami 808 808 808 Rozdział 29 Synteza i splicing RNA Syntezę RNA moŜna podzielić na trzy etapy: inicjację, elongację i terminację 29.1 Transkrypcja katalizowana jest przez polimerazę RNA Polimeraza RNA wiąŜe się do miejsc promotorowych genu i rozpoczyna transkrypcję Podjednostka sigma umoŜliwia polimerazie RNA rozpoznanie miejsc promotorowych Przed zainicjowaniem syntezy RNA polimeraza RNA musi rozpleść DNA Łańcuchy RNA tworzone są de novo i syntetyzowane w kierunku 5' → 3' Elongacja zachodzi w bąblach transkrypcyjnych poruszających się wzdłuŜ matrycy DNA Sekwencje leŜące w obrębie nowo syntetyzowanego RNA są sygnałem zakończenia transkrypcji Białko rho pomaga w terminacji transkrypcji niektórych genów Antybiotyki - inhibitory transkrypcji Prokariotyczne prekursory transportujących i rybosomowych RNA są rozcinane i chemicznie modyfikowane po zakończeniu transkrypcji 29.2 Transkrypcja u eukariotów podlega precyzyjnej regulacji RNA w komórkach eukariotycznych syntetyzowany jest przez trzy rodzaje polimeraz RNA W promotorach rozpoznawanych przez polimerazę RNA II moŜna znaleźć trzy wspólne elementy Białkowy kompleks TFIID inicjuje tworzenie aktywnego kompleksu transkrypcyjnego RóŜnorodne czynniki transkrypcyjne oddziałują z promotorami eukariotycznymi Sekwencje wzmacniające mogą stymulować transkrypcję w miejscach 825 808 809 811 813 813 814 816 817 817 818 826 827 828 829 830 831 832 833 834 835 836 837 838 840 841 842 startowych oddalonych od nich o tysiące zasad 29.3 Produkty transkrypcji prowadzonej przez wszystkie trzy eukariotyczne polimerazy RNA podlegają reakcjom dojrzewania Polimeraza RNA I produkuje trzy rybosomowe RNA Polimeraza RNA III syntetyzuje tRNA Polimeraza RNA II syntetyzuje pre-mRNA, do których końców 5' dodawany jest kap, a do końca 3' - ogon poli(A) Redagowanie RNA zmienia białka kodowane przez mRNA Sekwencje na końcach intronów wyznaczają miejsca splicingowe w mRNA Splicing składa się z dwóch reakcji transestryfikacji Niskocząsteczkowe jądrowe RNA (snRNA) katalizują w spliceosomie wycięcie intronów z prekursorów mRNA Transkrvpcja i dojrzewanie RNA są ze sobą sprzęŜone Mutacje wpływające na spiicing pre-mRNA są przyczyną chorób Większość ludzkich pre-mRNA moŜe ulegać splicingowi kilkoma sposobami, tworząc róŜne mRNA, a po ich translacji takŜe róŜne białka 29.4 Odkrycie katalitycznych właściwości RNA było prawdziwym przełomem, który nie tylko wzbogacił naszą wiedzę o enzymach, ale równieŜ zmienił sposób myślenia o ewolucji Rozdział 30 Synteza białka 30.1 Synteza białka wymaga przetłumaczenia informacji genetycznej zapisanej w języku kwasów nukleinowych na język białek Synteza długich białek wymaga małej częstości błędów Cząsteczki transferowych RNA mają podobną budowę Aktywowany aminokwas i antykodon znajdują się na przeciwległych końcach cząsteczki tRNA, która ma kształt litery L 30.2 Syntetazy aminoacylo-tRNA odczytują kod genetyczny Aminokwasy są wstępnie aktywowane przez adenylację Syntetazy aminoacylo-tRNA selektywnie rozpoznają aminokwasy mające ulec aktywacji Aktywność korekcyjna syntetaz aminoacylo-tRNA zwiększa poprawność syntezy białka Syntetazy rozpoznają róŜnorodne cechy transportujących RNA Syntetazy aminoacylo-tRNA moŜna podzielić na dwie klasy 30.3 Rybosom jest cząstką rybonukleoproteinową (70S) zbudowaną z małej (30S) i duŜej (50S) podjednostki Rybosomowe RNA (5S, 16S i 23S rRNA) odgrywają główną rolę w syntezie białka Białka są syntetyzowane od końca aminowego do karboksylowego Translacja informacyjnego RNA przebiega w kierunku 5' → 3' Kodon AUG zazwyczaj oznacza sygnał startu i jest poprzedzony kilkoma zasadami parującymi się z 16S rRNA Bakteryjną syntezę białek rozpoczyna formylo- metionylo-tRNA Rybosom zawiera trzy miejsca wiązania tRNA zlokalizowane na pograniczu podjednostek 30S i 50S W trakcie syntezy wiązania peptydowego rosnący łańcuch polipeptydowy jest przerzucany między cząsteczkami tRNA 842 843 843 844 844 846 847 847 848 850 851 851 853 861 862 862 863 865 866 866 867 868 869 869 870 871 873 873 874 875 875 876 Tylko oddziaływania kodon-antykodon decydują o włączeniu aminokwasu do rosnącego łańcucha polipeptydowego Niektóre cząsteczki tRNA rozpoznają więcej niŜ jeden kodon zgodnie z zasadą tolerancji 30.4 Czynniki białkowe odgrywają waŜną rolę w syntezie białka Podczas tworzenia kompleksu inicjującego 70S formylometionylo-tRNAf zajmuje w rybosomie miejsce P Czynniki elongacyjne dostarczają aminoacylo-tRNA do rybosomu Po utworzeniu wiązania peptydowego następuje translokacja tRNA i mRNA napędzana przez GTP Czynniki uwalniające kończą syntezę białka odczytując kodony „stop" 30.5 Synteza białka u eukariotów róŜni się od syntezy białka u prokariotów przede wszystkim sposobem inicjacji 30.6 Rybosomy związane z retikulum endoplazmatycznym produkują białka błonowe i sekrecyjne Obecność sekwencji sygnałowej w białku decyduje o jego translokacji w poprzek błony retikulum endoplazmatycznego Pęcherzyki transportujące przenoszą białka do miejsc ich ostatecznego przeznaczenia 30.7 Synteza białka moŜe być zahamowana przez róŜne antybiotyki i toksyny Toksyna błonicy blokuje syntezę białka u eukariontów poprzez hamowanie translokacji Rycyna jest N-glikozydem hamującym syntezę białka Rozdział 31 Kontrola ekspresji genów 31.1 Wiele białek wiąŜących DNA rozpoznaje specyficzne sekwencje DNA Motyw helisa-zwrot-helisa występuje powszechnie w prokariotycznych białkach wiąŜących DNA Białka eukariotyczne wiąŜące DNA wykorzystują cały zakres motywów i domen białkowych wiąŜących DNA 31.2 Białka prokariotyczne wiąŜące się z DNA oddziałują specyficznie z miejscami regulatorowymi operonów Operon składa się z elementów kontrolnych i genów kodujących białka Jeśli nie ma laktozy, represor lac wiąŜe się z miejscem operatorowym i blokuje transkrypcję Związanie liganda moŜe indukować zmiany strukturalne w białkach regulatorowych Operon jest powszechną jednostką organizacji genów u prokariotów Białka oddziałujące z polimerazą RNA mogą stymulować transkrypcję 31.3 Większa złoŜoność genomów eukariotycznych wymaga wyszukanych mechanizmów regulacji ekspresji genów U eukariotów liczne czynniki transkrypcyjne oddziałują z miejscami regulatorowymi Czynniki transkrypcyjne eukariotów mają charakter modułowy Domeny aktywujące oddziałują z innymi białkami Nukleosomy są kompleksami DNA i histonów Eukariotyczny DNA jest owinięty wokół histonów, aby stworzyć nukleosomy 877 878 880 880 880 881 882 883 884 884 886 888 889 889 896 897 898 899 900 901 901 902 903 904 905 906 906 907 907 908 Kontrola ekspresji genu wymaga remodelowania chromatyny Sekwencje wzmacniające stymulują transkrypcję w wybranych typach komórek Metylacje DNA mogą zmienić wzór ekspresji genów Steroidy i pokrewne cząsteczki hydrofobowe przechodzą przez błonę i łączą się z receptorami wiąŜącymi DNA Jądrowe receptory hormonów regulują transkrypcję, rekrutując do kompleksu transkrypcyjnego koaktywatory lub korepresory Receptory hormonów steroidowych są miejscem działania leków Struktura chromatyny jest modulowana przez kowalencyjne modyfikacje ogonów histonowych Histonowe deacetylazy biorą udział w represji transkrypcyjnej 31.4 Ekspresja genów moŜe być kontrolowana na poziomie potranskrypcyjnym Atenuacja jest mechanizmem regulacji ekspresji genów u prokariotów i polega na modulacji struktury drugorzędowej syntetyzowanego RNA Geny związane z metabolizmem Ŝelaza podlegają u zwierząt regulacji translacyjnej 909 910 911 911 913 914 914 916 917 917 918 Część IV ODPOWIEDŹ NA ZMIANY WARUNKÓW ŚRODOWISKA Rozdział 32 Systemy czucia 925 32.1 Wiele związków organicznych jest wykrywane za pomocą węchu Wielka rodzina receptorów zawierających siedem helikalnych odcinków transbłonowych pośredniczy w odbiorze zapachów Substancje zapachowe są rozpoznawane przez mechanizmy kombinatoryczne Czynnościowy rezonans magnetyczny ujawnia regiony mózgu przetwarzające informacje czuciowe 32.2 WraŜenia smakowe są efektem działania wielu zmysłów funkcjonujących według róŜnych mechanizmów Sekwencjonowanie genomu ludzkiego doprowadziło do odkrycia duŜej rodziny receptorów 7TM gorzkiego smaku Heterodimeryczny receptor 7TM odpowiada na substancje o smaku słodkim Umami, smak glutaminianu i asparaginianu, jest odbierany przez receptor heterodimeryczny, spokrewniony z receptorem smaku słodkiego Za wykrywanie smaku słonego jest przede wszystkim odpowiedzialny przepływ jonów sodowych przez kanały Smak kwaśny powstaje w wyniku oddziaływania jonów wodorowych (kwasów) na kanały 32.3 Fotoreceptory w oku wykrywają światło widzialne Rodopsyna, wyspecjalizowany receptor 7TM, absorbuje światło widzialne Absorpcja światła zapoczątkowuje specyficzną izomeryzację związanego 11-cis-retinalu Zmniejszenie stęŜenia wapnia, wywołane światłem, koordynuje powrót do stanu wyjściowego Widzenie kolorów w czopkach siatkówki zachodzi przez trzy receptory 926 927 928 930 930 930 933 934 934 935 935 936 937 938 będące homologami rodopsyny RearanŜacje w genach fotoreceptorów kolorów zielonego i czerwonego prowadzą do „ślepoty na barwy" 32.4 WraŜenia słuchowe zaleŜą od szybkiej detekcji bodźców mechanicznych Komórki włoskowate wykorzystują połączone pęczki stereocilii do wykrycia małych ruchów Mechanosensoryczne kanały zostały zidentyfikowane u Drosophila i kręgowców 32.5 Na odbiór wraŜeń dotykowych mają wpływ ucisk, temperatura i inne czynniki Badania kapsaicyny ujawniły obecność receptora wysokiej temperatury i innych bodźców bólowych Jeszcze wiele systemów czuciowych pozostaje do zbadania Rozdział 33 Układ odpornościowy Wrodzony układ odpornościowy jest ewolucyjnie starym systemem obronnym Ewolucyjne przystosowania nabytego układu odpornościowego 33.1 W przeciwciałach moŜna wyróŜnić fragmenty wiąŜące antygen i fragmenty efektorowe 33.2 Zwinięcie immunoglobulinowe składa się z dwóch ułoŜonych vis a vis struktur dywanowych typu β oraz hiperzmiennych pętli 33.3 Przeciwciała wiąŜą swoiste cząsteczki w rejonach hiperzmiennych pętli Analiza rentgenowska wyjaśniła, w jaki sposób przeciwciała wiąŜą antygeny Przeciwciało wiąŜe duŜy antygen w wyniku licznych oddziaływań 33.4 RóŜnorodność przeciwciał jest wynikiem rearanŜacji genów Geny J (łączące, ang. joining) i D (róŜnorodności, ang. diversity) zwiększają róŜnorodność przeciwciał Kombinatoryka segmentów genowych i mutacje somatyczne umoŜliwiają tworzenie ponad 108 róŜnych przeciwciał Oligomeryzacja przeciwciał syntetyzowanych na powierzchni niedojrzałych limfocytów B powoduje wydzielanie przeciwciał poza komórkę RóŜne klasy przeciwciał powstają na skutek przemieszczania genów VH 33.5 Peptydy związane z białkami głównego układu zgodności tkankowej są prezentowane na powierzchniach komórek i rozpoznawane przez receptory limfocytów T Peptydy prezentowane przez białka MHC zajmują głęboki rowek, którego ściany tworzą helisy α Receptory limfocytów T są białkami podobnymi do przeciwciał, zawierającymi regiony stałe i zmienne Białko CD8 na powierzchni cytotoksycznych limfocytów T współdziała z receptorami limfocytów T Pomocnicze limfocyty T stymulują komórki prezentujące obce peptydy związane z białkami MHC klasy II W rozpoznawaniu obcych peptydów na komórkach prezentujących antygen pomocniczym limfocytom T pomagają specyficzne receptory 939 940 941 941 943 944 944 945 949 950 952 953 956 957 957 959 960 960 962 962 964 965 966 968 969 970 komórkowe T i cząsteczki CD4 Białka głównego układu zgodności tkankowej są silnie zróŜnicowane Ludzki wirus niedoboru immunologicznego uszkadza układ odpornościowy niszcząc pomocnicze limfocyty T 33.6 Odpowiedź układu odpornościowego przeciwko własnym antygenom ulega supresji Limfocyty T w grasicy podlegają selekcji pozytywnej i negatywnej Wytwarzanie odpowiedzi odpornościowej przeciw własnym antygenom prowadzi do rozwoju chorób autoimmunologicznych Układ odpornościowy bierze udział w zapobieganiu rozwoju nowotworu Rozdział 34 Motory molekularne 34.1 Większość białek motorycznych naleŜy do nadrodziny NTPaz typu P Białko motoryczne składa się z rdzenia ATPazowego i wydłuŜonej struktury Związanie i hydroliza ATP indukuje zmiany w konformacji i siłę wiązania białek motorycznych 34.2 Miozyna przemieszcza się wzdłuŜ filamentów aktynowych Mięsień zbudowany jest głównie z kompleksów miozyny i aktyny Aktyna jest samoorganizującym się, podlegającym ciągłym zmianom polimerem o dwóch róŜnych końcach MoŜemy obserwować ruchy pojedynczych białek motorycznych Uwolnienie fosforanu jest odpowiedzialne za suw motoru miozynowego Długość ramienia dźwigni decyduje o prędkości motoru 34.3 Kinezyna i dyneina przemieszczają się wzdłuŜ mikrotubul Mikrotubule są wydrąŜonymi, cylindrycznymi polimerami Ruch kinezyny jest wysoce procesywny 34.4 Motor rotujący napędza ruch bakterii Bakterie poruszają się dzięki rotacji wici Przepływ protonów napędza obrót bakteryjnej wici Chemotaksja bakterii zaleŜy od odwrócenia kierunku rotacji wici Rozdział 35 Nowe leki 35.1 Tworzenie nowych leków stawia przed nami wielkie wyzwania Potencjalne leki muszą być silnymi modulatorami cząsteczek docelowych Leki muszą wykazywać odpowiednie właściwości, Ŝeby dotrzeć do cząsteczek docelowych Toksyczność moŜe ograniczyć efektywność leku 35.2 Potencjalne leki mogą być odkrywane przez przypadek, badania przesiewowe lub projektowanie Przypadkowe obserwacje mogą doprowadzić do odkrycia nowego leku Badania przesiewowe bibliotek związków mogą doprowadzić do odkrycia nowych leków Leki mogą być projektowane na podstawie wiedzy o strukturze przestrzennej cząsteczki docelowej 35.3 Analiza genomów otwiera nowe perspektywy przed naukowcami opracowującymi nowe leki Potencjalne cząsteczki docelowe leków mogą być zidentyfikowane w ludzkim proteomie 970 972 973 974 974 975 976 983 984 984 986 988 988 990 992 993 994 995 995 997 999 999 1000 1001 1007 1008 1008 1009 1014 1015 1015 1017 1021 1023 1023 Modele zwierzęce pomagają zweryfikować potencjalne obiekty działania leków Analiza genomów organizmów chorobotwórczych wskazuje nowe obiekty działania leków RóŜnice genetyczne wpływają na osobnicze reakcje na leki 35.4 Na proces tworzenia leku składa się kilka etapów Badania kliniczne są czasochłonne i drogie Pojawienie się lekooporności moŜe ograniczyć skuteczność leków w terapii chorób zakaźnych i nowotworów 1024 1024 1025 1026 1027 1028 Dodatki A1 Słowniczek związków chemicznych B1 Rozwiązania zadań C1 Skorowidz D1 oprac. BPK
