Biochemia : krótki kurs / John L. Tymoczko, Jeremy M. Berg, Lubert
advertisement
Biochemia : krótki kurs / John L. Tymoczko, Jeremy M. Berg, Lubert Stryer. – Warszawa, 2013 Spis treści CZĘŚĆ I MOLEKULARNY WZÓR śYCIA SEKCJA 1 Biochemia pomaga nam zrozumieć świat Rozdział 1 Biochemia i jedność Ŝycia 1.1 Układy Ŝywe wymagają ograniczonej liczby atomów i cząsteczek 1.2 Są cztery główne typy cząsteczek biologicznych Białka są cząsteczkami bardzo wszechstronnymi Kwasy nukleinowe są nośnikami informacji w komórce Lipidy są formą magazynowania paliwa i słuŜą jako bariera Węglowodany są paliwem i cząsteczkami niosącymi informację 1.3 Podstawowy dogmat biologii molekularnej opisuje główne zasady przekazywania informacji biologicznej 1.4 Błony definiują granice komórki i pełnią funkcje biologiczne Funkcje biochemiczne są umiejscowione w przedziałach komórki Niektóre organelle przetwarzają i sortują białka oraz wymieniają materię z otoczeniem Zastosowanie kliniczne Defekty w funkcjonowaniu organelli mogą prowadzić do choroby Rozdział 2 Woda, wiązania słabe i porządek wyłaniający się z chaosu 2.1 Interakcje biologiczne są napędzane ruchami termicznymi 2.2 Oddziaływania biochemiczne zachodzą w środowisku wodnym 2.3 Oddziaływania słabe są waŜną właściwością biochemiczną Oddziaływania elektrostatyczne występują między ładunkami elektrycznymi Wiązania wodorowe powstają między atomem elektroujemnym a wodorem Oddziaływania van der Waalsa zaleŜą od przejściowej asymetrii ładunku elektrycznego Wiązania słabe umoŜliwiają oddziaływania powtarzalne 2.4 Cząsteczki hydrofobowe grupują się razem Tworzenie błony jest napędzane efektem hydrofobowym Zwijanie białka jest napędzane efektem hydrofobowym Grupy funkcyjne mają określone właściwości chemiczne 1 3 4 5 5 6 7 7 8 9 12 13 15 18 19 20 21 21 22 23 24 24 25 25 26 2.5 pH jest waŜnym parametrem systemów biochemicznych 26 Woda ulega jonizacji w małym stopniu 28 Kwas jest donorem protonów, natomiast zasada jest akceptorem protonów 29 Kwasy mają zróŜnicowaną tendencję do ulegania jonizacji 29 Bufory są odporne na zmiany pH 30 Bufory są istotne w układach biologicznych 31 Sporządzanie buforów jest codzienną praktyką laboratoryjną 31 SEKCJA 2 Skład i struktura białek Rozdział 3 Aminokwasy Są dwa róŜne sposoby przedstawiania biocząsteczek 3.1 Białka są zbudowane z zestawu 20 aminokwasów Większość aminokwasów występuje w dwóch odmianach lustrzanego odbicia Wszystkie aminokwasy mają co najmniej dwie grupy obdarzone ładunkiem 3.2 Aminokwasy zawierają szeroki zakres grup funkcyjnych Aminokwasy hydrofobowe mają węglowodorowe łańcuchy boczne Aminokwasy polarne mają łańcuchy boczne zawierające atomy obdarzone ładunkiem elektroujemnym Aminokwasy z ładunkiem dodatnim są hydrofilowe Aminokwasy naładowane ujemnie mają kwasowe łańcuchy boczne Zjonizowane łańcuchy boczne wzmacniają reaktywność i siłę wiązania 3.3 Aminokwasy egzogenne muszą być dostarczone z poŜywieniem Zastosowanie kliniczne Stany chorobowe mogą być skutkiem spoŜycia niewystarczającej ilości białek Rozdział 4 Struktura przestrzenna białek 4.1 Struktura pierwszorzędowa: w polipeptydach aminokwasy są połączone ze sobą wiązaniami peptydowymi Białka mają ściśle określone sekwencje aminokwasowe, które zapisane są w genach Łańcuchy polipeptydowe są elastyczne i równocześnie konformacyjnie ograniczone 4.2 Struktura drugorzędowa: łańcuchy polipeptydowe mogą się zwijać w regularne struktury Helisa alfa jest spiralnie skręconą strukturą stabilizowaną przez wiązania wodorowe w obrębie łańcucha Harmonijki β są stabilizowane wiązaniami wodorowymi pomiędzy łańcuchami polipeptydowymi Łańcuchy polipeptydowe mogą zmieniać kierunek, tworząc struktury typu wstęga-zwrot-wstęga i struktury pętli Białka fibrylarne stanowią podporę strukturalną komórek i tkanek Zastosowanie kliniczne Nieprawidłowości w strukturze kolagenu wywołują 35 37 37 38 38 38 39 39 41 42 43 43 44 44 47 48 50 50 52 53 54 56 56 stany patologiczne 4.3 Struktura trzeciorzędowa: białka rozpuszczalne w wodzie zwijają się w ściśle upakowane struktury Budowa mioglobiny ukazuje reguły rządzące przyjmowaniem struktury trzeciorzędowej Strukturę trzeciorzędową wielu białek moŜna podzielić na część strukturalną i funkcjonalną 4.4 Struktura czwartorzędowa: łańcuchy polipeptydowe mogą się składać w pojedyncze białko 4.5 Sekwencja aminokwasowa białka określa jego strukturę przestrzenną Zwijanie się białek jest procesem nieprzypadkowym i zachodzi w drodze postępującej stabilizacji form pośrednich Niektóre białka są nieustrukturalizowane i mogą przyjmować róŜne konformacje Zastosowanie kliniczne Nieprawidłowe zwijanie i agregacja białek leŜą u podstaw niektórych chorób neurologicznych Rozdział 5 Techniki w biochemii białek 5.1 Proteom jest funkcjonalnym przedstawicielem genomu 5.2 Oczyszczanie białek jest pierwszym etapem poznawania ich funkcji Białka moŜna oczyszczać na podstawie róŜnic w ich właściwościach chemicznych 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 oceniać ilościowo 5.3 Do oczyszczania i charakteryzowania białek stosuje się techniki immunologiczne Wirowanie jest metodą rozdzielania białek Wirowanie gradientowe dostarcza testu na obecność kompleksu estradiolreceptor MoŜna produkować przeciwciała dla specyficznych białek Łatwo otrzymać przeciwciała monoklonalne o dowolnej poŜądanej swoistości Receptor estrogenowy moŜna oczyścić przez immunoprecypitację Białka moŜna wykrywać i oznaczać ilościowo, stosując test immunologiczny na podłoŜu stałym Immunodetekcja metodą western umoŜliwia wykrycie białek rozdzielonych za pomocą elektroforezy Ŝelowej 5.4 Określenie struktury pierwszorzędowej ułatwia zrozumienie funkcji białka Sekwencje aminokwasowe dostarczają róŜnego rodzaju informacji 58 59 59 61 61 62 63 65 66 72 73 73 74 74 75 78 80 81 82 83 84 85 87 88 90 90 93 SEKCJA 3 Enzymy: podstawowe pojęcia i kinetyka 99 Rozdział 6 Enzymy: podstawowe pojęcia i działanie 6.1 Enzymy to waŜne i specyficzne katalizatory Enzymy proteolityczne obrazują zakres specyficzności enzymów WyróŜniamy б klas enzymów 6.2 Obecność kofaktorów jest konieczna do działania wielu enzymów 6.3 Energia swobodna jest uŜyteczną funkcją termodynamiczną 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 równowagę reakcji 6.4 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 Analogi stanu przejściowego są silnymi inhibitorami enzymów 101 101 102 103 104 Rozdział 7 Kinetyka i regulacja 7.1 Kinetyka to badanie szybkości reakcji 7.2 Model Michaelisa-Menten opisuje właściwości kinetyczne wielu enzymów Zastosowanie kliniczne Zmiany w KM mogą mieć znaczenie fizjologiczne Wartości KM i Vmax moŜemy wyznaczyć kilkoma sposobami Wartości KM i Vmax są waŜnymi parametrami enzymów Kkat/KM jest miarą wydajności katalitycznej enzymów Większość reakcji biochemicznych dotyczy kilku substratów 7.3 Enzymy allosteryczne są katalizatorami i czujnikami informacji Enzymy allosteryczne są regulowane przez produkty kontrolowanych przez nie szlaków Enzymy regulowane allosterycznie działają niezgodnie z kinetyką Michaelisa-Menten Enzymy allosteryczne zaleŜą od zmian w strukturze czwartorzędowej Cząsteczki regulatorowe modulują równowagę R⇔T Efekty allosteryczne moŜna równieŜ wytłumaczyć za pomocą modelu sekwencyjnego Zastosowanie kliniczne Utrata kontroli allosterycznej moŜe prowadzić do stanów patologicznych 7.4 Enzymy mogą być badane na poziomie pojedynczej cząsteczki 114 115 104 105 105 107 107 108 108 110 110 116 117 118 118 119 120 121 123 124 124 126 126 127 127 Rozdział 8 Mechanizmy i inhibitory 8.1 Kilka podstawowych strategii katalitycznych dotyczy wielu enzymów 8.2 Aktywność enzymu moŜe być modulowana przez temperaturę, pH i cząsteczki inhibitorów Temperatura wzmacnia szybkość reakcji katalizowanych przez enzymy Większość enzymów funkcjonuje w optymalnym pH Enzymy mogą być hamowane przez specyficzne cząsteczki Inhibitory odwracalne są kinetycznie rozróŜnialne Inhibitory nieodwracalne moŜna wykorzystać do mapowania miejsca aktywnego enzymu Zastosowanie kliniczne Penicylina nieodwracalnie inaktywuje kluczowy enzym syntezy ścian komórkowych bakterii 8.3 Chymotrypsyna ilustruje podstawowe zasady katalizy i inhibicji Seryna w pozycji 195 jest kluczowa dla aktywności chymotrypsyny Działanie chymotrypsyny przebiega w dwóch etapach połączonych przez kowalencyjnie związany produkt pośredni Znaczniki powinowactwa ujawniły katalityczną rolę histydyny w pozycji 57 Seryna jest częścią triady katalitycznej, obejmującej równieŜ histydynę i kwas asparaginowy Rozdział 9 Hemoglobina, białko allosteryczne 9.1 Hemoglobina wykazuje działanie kooperatywne 9.2 Grupy hemowe mioglobiny i hemoglobiny wiąŜą tlen Zastosowanie kliniczne Obrazowanie metodą czynnościowego rezonansu magnetycznego uwidacznia obszary mózgu przetwarzające informacje czuciowe 9.3 Hemoglobina wiąŜe tlen kooperatywnie 9.4 Regulator allosteryczny decyduje o powinowactwie hemoglobiny do tlenu Zastosowanie kliniczne Powinowactwo hemoglobiny do tlenu jest dostosowane do potrzeb środowiska Przykład biologiczny ZróŜnicowanie budowy hemoglobiny umoŜliwia transport tlenu w warunkach ekstremalnych Zastosowanie kliniczne Anemia sierpowata jest chorobą wywołaną przez mutację w hemoglobinie 9.5 Protony i dwutlenek węgla sprzyjają uwalnianiu tlenu SEKCJA 4 Węglowodany i lipidy Rozdział 10 Węglowodany 10.1 Monosacharydy to najprostsze węglowodany Szereg powszechnie występujących cukrów tworzy formy cykliczne Zastosowanie kliniczne Tworzeniu cyklicznego hemiacetalu towarzyszy 135 135 136 136 137 138 140 141 143 145 145 146 147 147 153 154 154 156 156 158 159 159 160 161 167 169 170 171 pojawienie się dodatkowego asymetrycznego atomu węgla Monosacharydy łączą się wiązaniami glikozydowymi z alkoholami i aminami Przykład biologiczny Glukozynolany chronią rośliny i poprawiają jakość poŜywienia 10.2 Węglowodany złoŜone są zbudowane z monosacharydów Za syntezę oligosacharydów odpowiadają specyficzne enzymy Sacharoza, laktoza i maltoza są powszechnie występującymi disacharydami Glikogen i skrobia są zapasowymi formami glukozy Celuloza jest głównym polimerem strukturalnym roślin, złoŜonym z liniowych łańcuchów reszt glukozy 10.3 Węglowodany, przyłączając się do białek, tworzą glikoproteiny Węglowodany mogą być przyłączone do białek poprzez resztę asparaginy, seryny lub treoniny Zastosowanie kliniczne Hormon erytropoetyna jest glikoproteiną Proteoglikany, zbudowane z polisacharydów i białek, pełnią istotne funkcje strukturalne Zastosowanie kliniczne Proteoglikany są waŜnym składnikiem chrząstki Mucyny są glikoproteinowym składnikiem śluzu Przykład biologiczny Grupy krwi wynikają z róŜnych wzorów glikozylacji białek Zastosowanie kliniczne Brak glikozylacji moŜe prowadzić do stanów patologicznych 10.4 Lektyny są specyficznymi białkami wiąŜącymi węglowodany Lektyny ułatwiają oddziaływania między komórkami Zastosowanie kliniczne Lektyny ułatwiają rozwój embrionalny Zastosowanie kliniczne Wirus grypy wiąŜe się do reszt kwasu sjalowego Rozdział 11 Lipidy 11.1 Kwasy tłuszczowe są głównym składnikiem - paliwa energetycznego komórki Kwasy tłuszczowe róŜnią się długością łańcucha i stopniem nienasycenia Stopień i typ nienasycenia są waŜne dla zdrowia 11.2 Triacyloglicerole są formą zapasową kwasów tłuszczowych 11.3 Istnieją trzy podstawowe typy lipidów błonowych Fosfolipidy stanowią główną klasę lipidów błonowych Lipidy błonowe mogą zawierać węglowodany Steroidy są lipidami, które pełnią róŜne funkcje Przykład biologiczny Błony archeonów są zbudowane z eterowych lipidów z rozgałęzionymi łańcuchami Lipidy błonowe zawierają część hydrofilową i hydrofobową Niektóre białka są modyfikowane w wyniku kowalencyjnego przyłączenia grup hydrofobowych Zastosowanie kliniczne Przedwczesne starzenie się moŜe być skutkiem błędnego przyłączenia grupy hydrofobowej do białka 173 175 175 176 176 177 177 178 179 180 181 181 182 183 184 185 186 186 187 187 193 194 195 197 197 199 199 201 201 202 202 203 204 SEKCJA 5 Błony komórkowe, kanały, pompy i receptory Rozdział 12 Budowa i funkcja błon 12.1 Fosfolipidy i glikolipidy tworzą warstwy dwucząsteczkowe O Zastosowanie kliniczne Pęcherzyki lipidowe mogą powstawać z fosfolipidów Dwuwarstwa lipidowa jest wysoce nieprzepuszczalna dla jonów i większości cząsteczek polarnych 12.2 Płynność błony jest kontrolowana przez skład kwasów tłuszczowych i zawartość cholesterolu 12.3 Większość procesów w błonach biologicznych zachodzi z udziałem białek Białka błonowe są związane z dwuwarstwą lipidową w róŜny sposób Zastosowanie kliniczne Przymocowanie syntazy-1 prostaglandyny H2 do błony wyjaśnia działanie aspiryny 12.4 Lipidy i liczne białka błonowe przemieszczają się wzdłuŜ płaszczyzny błony 12.5 Główną funkcją białek błonowych jest transport ATPaza Na+-K+ jest waŜną pompą jonową dla wielu typów komórek Zastosowanie kliniczne Ekstrakt z naparstnicy hamuje specyficznie pompę Na+-K+ poprzez blokowanie jej defosforylacji Zastosowanie kliniczne Oporność wielolekowa i mukowiscydoza rzucają światło na rodzinę białek błonowych mających kasetę wiąŜącą ATP Zastosowanie kliniczne Rybia łuska arlekinowa jest tragicznym efektem mutacji białka ABC Transportery drugiego rzędu wykorzystują jeden gradient stęŜeń do tworzenia innego gradientu Specyficzne kanały jonowe mogą szybko transportować jony przez błony Przykład biologiczny Kanały jonowe grzechotników pozwalają im uzyskać obraz termiczny otoczenia Budowa przestrzenna kanału potasowego wyjaśnia przyczyny specyficzności jonowej Budowa kanału potasowego tłumaczy duŜą szybkość transportu Rozdział 13 Szlaki przekazywania sygnałów 13.1 Przekazywanie sygnałów zaleŜy od obwodów cząsteczkowych 13.2 Białka receptorów przekazują informację do komórki W odpowiedzi na związanie liganda receptory o siedmiu helisach transbłonowych zmieniają swoją konformację i aktywują białka G Wiązanie ligandów z receptorami 7TM prowadzi do aktywacji białek G Aktywne białka G przekazują sygnały, wiąŜąc się z innymi białkami Cykliczny AMP stymuluje fosforylację wielu białek docelowych w wyniku aktywacji kinazy białkowej A Białka G samoczynnie wyłączają swoją aktywność w wyniku 207 209 210 211 211 212 213 214 215 216 217 218 219 219 220 220 221 221 222 223 229 230 231 231 232 233 234 hydrolizy GTP Zastosowanie kliniczne Cholera i krztusiec są spowodowane zmianą aktywności białka G Hydroliza bisfosforanu fosfatydyloinozytolu przez fosfolipazę C prowadzi do powstania dwóch cząsteczek sygnałowych 13.3 Niektóre receptory, które w odpowiedzi na związanie liganda ulegają dimeryzacji, związane są z kinazami tyrozynowymi Dimeryzacja receptora moŜe prowadzić do związania z kinazą tyrozynową Niektóre receptory zawierają domeny kinazy tyrozynowej Ras - kolejna klasa białek G 13.4 Kontekst metaboliczny: szlak sygnalizacji insuliny reguluje metabolizm Receptor insulinowy jest dimerem, który ściśle otacza związaną cząsteczkę insuliny Zaktywowana receptorowa kinaza insulinowa rozpoczyna kaskadę aktywacji kinaz Szlak sygnalizacji insuliny jest przerywany przez działanie fosfataz 13.5 Jon wapnia jest powszechną cytoplazmatyczną cząsteczką sygnałową 13.6 Zaburzenia w działaniu szlaków sygnalizacyjnych mogą prowadzić do schorzeń Zastosowanie kliniczne Przekształcenie protoonkogenu w onkogen zakłóca regulację procesów wzrostu komórki Zastosowanie kliniczne Inhibitory kinaz białkowych mogą być skutecznymi lekami przeciwnowotworowymi 235 236 236 238 238 239 240 241 241 241 243 243 244 244 245 CZĘŚĆ II PRZEKAZYWANIE I MAGAZYNOWANIE ENERGII SEKCJA 6 Podstawowe pojęcia i organizacja metabolizmu Rozdział 14 Trawienie: przekształcanie poŜywienia w biocząsteczki komórki 14.1 Trawienie przygotowuje duŜe biocząsteczki do wejścia w metabolizm 14.2 Proteazy trawią białka do aminokwasów i peptydów 14.3 Węglowodany z poŜywienia są trawione przez α-amylazę 14.4 Trawienie lipidów jest skomplikowane ze względu na ich właściwości hydrofobowe Przykład biologiczny Jad węŜa trawi od zewnątrz do środka 14.5 Metabolizm w odpowiedzi na potrzeby organizmu: sygnalizacja komórkowa ułatwia homeostazę kaloryczną W homeostazie kalorycznej kluczową rolę odgrywa mózg Sygnały z przewodu pokarmowego wywołują uczucie sytości i umoŜliwiają trawienie Leptyna i insulina regulują długotrwałą kontrolę homeostazy kalorycznej 251 253 254 254 256 257 259 259 260 260 261 Rozdział 15 Metabolizm; podstawowe pojęcia i organizacja 15.1 Metabolizm składa się z wielu sprzęŜonych, wzajemnie powiązanych reakcji Metabolizm składa się z reakcji wymagających energii i uwalniających ją Reakcja termodynamicznie korzystna umoŜliwia przebieg reakcji termodynamicznie niekorzystnej 15.2 ATP jest uniwersalnym nośnikiem energii swobodnej Hydroliza ATP jest procesem egzoergicznym Hydroliza ATP stanowi siłę napędową metabolizmu - przesuwa równowagę reakcji sprzęŜonych Wysoki potencjał fosforylacyjny ATP jest wynikiem róŜnic strukturalnych pomiędzy ATP a produktami jego hydrolizy Potencjał fosforylacyjny jest waŜną formą energii w komórkowych procesach przekształcania energii Zastosowanie kliniczne W czasie ćwiczeń fizycznych zmienia się sposób otrzymywania ATP 15.3 Utlenianie atomów węgla cząsteczek paliwa komórkowego jest waŜnym źródłem energii w komórce Utlenianie związków węgla jest sprzęŜone z ich redukcją Związki o wysokim potencjale fosforylacyjnym mogą sprzęgać utlenianie atomów węgla z syntezą ATP 15.4 Te same metabolity, reakcje i strategie regulacyjne obserwujemy w róŜnych szlakach metabolicznych Aktywowane przenośniki są przykładem budowy modułowej i ekonomicznego sposobu działania metabolizmu Zastosowanie kliniczne Brak aktywowanego pantotenianu powoduje zaburzenia neurologiczne Wiele aktywowanych nośników jest pochodnymi witamin 15.5 Trzy główne strategie regulują procesy metaboliczne Kontrola ilości enzymów Kontrola aktywności katalitycznej Kontrola dostępności substratów 278 279 281 281 281 283 SEKCJA 7 Glikoliza i glukoneogeneza 287 Rozdział 16 Glikoliza 16.1 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 trój węglowych fragmentów Utlenianie aldehydu napędza powstawanie związków o wysokim potencjale przenoszenia grup fosforanowych 264 265 266 266 267 267 268 269 270 271 272 273 274 274 275 289 290 290 292 293 294 ATP powstaje poprzez przeniesienie fosforanu z 1,3-bisfosfoglicerynianu Powstawanie pirogronianu i dodatkowej cząsteczki ATP Podczas przekształcania glukozy w pirogronian powstają dwie cząsteczki ATP 16.2 Metabolizm pirogronianu prowadzi do regeneracji NAD+ Fermentacje umoŜliwiają utlenianie NADH W warunkach beztlenowych fermentacja dostarcza energii, którą moŜna spoŜytkować w innych procesach komórkowych 16.3 Fruktoza i galaktoza są przekształcane w produkty pośrednie glikolizy Zastosowanie kliniczne Wiele osób dorosłych nie toleruje mleka, poniewaŜ nie mają laktazy Zastosowanie kliniczne Galaktoza jest silnie toksyczna, gdy brak transferazy 16.4 Szlak glikolityczny podlega ścisłej kontroli Przebieg glikolizy w mięśniu podlega regulacji w odpowiedzi na zapotrzebowanie na ATP Regulacja przebiegu glikolizy w wątrobie odzwierciedla jej biochemiczną wszechstronność Rodzina białek przenośnikowych umoŜliwia glukozie wejście do komórek zwierzęcych i wyjście z nich Zastosowanie kliniczne Rak i trening fizyczny wpływają w podobny sposób na glikolizę 16.5 Integracja metaboliczna: glikoliza wspomaga wydzielanie insuliny z komórek beta trzustki Rozdział 17 Glukoneogeneza 17.1 Glukoza moŜe być syntetyzowana z prekursorów innych niŜ węglowodany Glukoneogeneza nie jest odwróceniem glikolizy Przekształcanie pirogronianu w fosfoenolopirogronian rozpoczyna się od utworzenia szczawiooctanu Szczawiooctan przechodzi do cytoplazmy, gdzie przekształca się w fosfoenolopirogronian Przekształcenie fruktozo-1,6-bisfosforanu we fruktozo-6-fosforan i ortofosforan jest etapem nieodwracalnym Wytwarzanie wolnej glukozy jest waŜnym punktem kontroli Synteza glukozy z pirogronianu zachodzi kosztem sześciu grup fosforanowych o wysokim potencjale przenoszenia 17.2 Glukoneogeneza i glikoliza podlegają przeciwstawnej regulacji Ładunek energetyczny komórki rozstrzyga, który szlak będzie bardziej aktywny, glikoliza czy glukoneogeneza W wątrobie równowaga pomiędzy glikolizą a glukoneogenezą jest wraŜliwa na stęŜenie glukozy we krwi Zastosowanie kliniczne W cukrzycy typu 2 insulina nie hamuje glukoneogenezy 296 296 297 298 298 300 301 303 305 305 306 307 310 311 313 319 320 322 322 324 325 325 326 326 327 328 329 Cykle substratowe wzmacniają sygnały metaboliczne 17.3 Metabolizm na poziomie organizmalnym: prekursory powstające w mięśniu są wykorzystywane przez inne narządy 330 SEKCJA 8 Cykl kwasu cytrynowego 335 Rozdział 18 Przygotowanie do cyklu 18.1 Dehydrogenaza pirogronianowa przekształca pirogronian w acetylo-CoA Synteza acetylo-CoA z pirogronianu wymaga trzech enzymów i pięciu koenzymów Elastyczne połączenia umoŜliwiają cząsteczce lipoamidu poruszanie się między róŜnymi miejscami aktywnymi 18.2 Kompleks dehydrogenazy pirogronianowej podlega regulacji przez dwa mechanizmy Zastosowanie kliniczne Wadliwa regulacja dehydrogenazy pirogronianowej prowadzi do kwasicy mleczanowej Zastosowanie kliniczne Zwiększona aktywność kinazy dehydrogenazy pirogronianowej ułatwia rozwój nowotworu Zastosowanie kliniczne Zakłócenie metabolizmu pirogronianu jest przyczyną beri-beri Rozdział 19 Zbieranie elektronów przez cykl 19.1 Cykl kwasu cytrynowego składa się z dwóch etapów 19.2 Etap pierwszy - utlenianie dwóch atomów węgla w celu gromadzenia elektronów bogatych w energię Syntaza cytrynianowa tworzy cytrynian ze szczawiooctanu i acetylo-CoA Mechanizm działania syntazy cytrynianowej zapobiega niepoŜądanym reakcjom Cytrynian ulega izomeryzacji do izocytrynianu Izocytrynian jest utleniany i dekarboksylowany do α-ketoglutaranu Oksydacyjna dekarboksylacja a-ketoglutaranu prowadzi do powstania bursztynylokoenzymu A 19.3 Etap drugi - regeneracja szczawiooctanu i zbieranie wysokoenergetycznych elektronów Kosztem bursztynylo-koenzymu A powstaje związek o wysokim potencjale przenoszenia grupy fosforanowej Syntetaza bursztynylo-CoA zmienia formy magazynowania energii Szczawiooctan jest regenerowany przez utlenianie bursztynianu Cykl kwasu cytrynowego generuje elektrony o wysokim potencjale przeniesienia, trifosforany nukleozydów oraz dwutlenek węgla 19.4 Cykl kwasu cytrynowego podlega kontroli Kontrola cyklu kwasu cytrynowego odbywa się w kilku punktach Cykl kwasu cytrynowego jest źródłem prekursorów do biosyntez 330 337 338 339 341 343 345 345 345 350 351 351 352 352 353 353 354 354 355 355 356 357 359 360 361 Cykl kwasu cytrynowego musi być szybko uzupełniany Zastosowanie kliniczne Wady cyklu kwasu cytrynowego przyczyniają się do powstawania nowotworów 19.5 Cykl glioksalowy umoŜliwia roślinom i bakteriom przekształcanie tłuszczów w węglowodany SEKCJA 9 Fosforylacja oksydacyjna Rozdział 20 Łańcuch transportu elektronów 20.1 W komórkach eukariotycznych fosforylacja oksydacyjna zachodzi w mitochondriach Mitochondria są otoczone podwójną błoną Przykład biologiczny Mitochondria powstały w wyniku endosymbiozy 20.2 Fosforylacja oksydacyjna zaleŜy od transportu elektronów Miarą potencjału przenoszenia elektronów jest potencjał redoks Przepływ elektronów przez łańcuch transportu elektronów tworzy gradient protonowy Łańcuch transportu elektronów jest sprzęŜony z serią reakcji oksydoredukcyjnych 20.3 W skład łańcucha oddechowego wchodzą pompy protonowe i kompleks fizycznie związany z cyklem kwasu cytrynowego Elektrony o wysokim potencjale z NADH wchodzą do łańcucha oddechowego na poziomie oksydoreduktazy NADH-Q Ubichinol jest miejscem, w którym wchodzą do łańcucha elektrony z 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 Przykład biologiczny Strefa śmierci: zbyt duŜo oddychania Enzymy ochronne usuwają toksyczne pochodne tlenu cząsteczkowego, takie jak rodnik ponadtlenkowy Rozdział 21 Siła protonomotoryczna 21.1 Gradient protonowy zasila syntezę ATP Syntaza ATP składa się z segmentu przewodzącego protony i segmentu katalitycznego Przepływ protonów przez syntazę ATP powoduje uwolnienie ściśle wiązanego ATP Katalizę stymulowaną przez obrót przeprowadza najmniejszy na świecie motor molekularny Przepływ protonów wokół pierścienia с jest siłą napędową syntezy ATP 21.2 Przemieszczanie się przez błonę mitochondrialną umoŜliwiają 361 362 363 369 371 372 372 373 374 374 376 377 380 380 382 382 382 384 386 387 391 392 393 394 395 396 systemy wahadłowe Elektrony z cytoplazmatycznego NADH wchodzą do mitochondriów za pośrednictwem systemów wahadłowych (czółenek) Wejście ADP do mitochondriów jest sprzęŜone z wyjściem ATP Mitochondrialne przenośniki prowadzą wymianę metabolitów między cytoplazmą a mitochondriami 21.3 Zapotrzebowanie na ATP jest czynnikiem regulującym oddychanie komórkowe Całkowite utlenianie glukozy dostarcza około 30 cząsteczek ATP O szybkości fosforylacji oksydacyjnej decyduje zapotrzebowanie na ATP Przykład biologiczny Regulowane rozprzęŜenie powoduje wytwarzanie ciepła Fosforylację oksydacyjną moŜna hamować na wielu etapach Zastosowanie kliniczne Rośnie liczba odkrywanych chorób mitochondrialnych Przekazywanie energii przez gradienty protonowe - to motyw przewodni bioenergetyki SEKCJA 10 Reakcje świetlne fotosyntezy i cykl Calvina Rozdział 22 Reakcje świetlne 22.1 Fotosynteza odbywa się w chloroplastach Przykład biologiczny Chloroplasty, podobnie jak mitochondria, powstały w wyniku wydarzenia endosymbiotycznego 22.2 Fotosynteza przekształca energię światła w energię chemiczną Chlorofil jest pierwotnym akceptorem światła w większości systemów fotosyntetycznych Kompleks zbierający światło zwiększa wydajność fotosyntezy Przykład biologiczny Chlorofil w ziemniakach wskazuje na obecność w nich toksyn 22.3 Dwa fotosystemy wytwarzają gradient protonów i NADPH Fotosystem I wykorzystuje energię świetlną do wytworzenia zredukowanej ferredoksyny, która jest silnym reduktorem Fotosystem II przenosi elektrony do fotosystemu I i wytwarza gradient protonów Cytochrom bf łączy fotosystem II z fotosystemem I Utlenienie wody przyczynia się do osiągnięcia równowagi oksydoredukcyjnej i dostarcza protonów do tworzenia gradientu 22.4 Gradient protonów napędza syntezę ATP Chloroplastowa synteza ATP jest bardzo podobna do mitochondrialnej 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 398 398 400 401 401 401 402 403 405 406 406 411 413 414 415 415 417 418 419 420 420 422 423 423 425 426 426 427 Komponenty uczestniczące w fotosyntezie wykazują wysoki poziom organizacji Przykład biologiczny Wiele herbicydów hamuje reakcje świetlne fotosyntezy Rozdział 23 Cykl Calvina 23.1 W cyklu Calvina z dwutlenku węgla i wody syntetyzowane są heksozy Dwutlenek węgla reaguje z rybulozo-1,5-bisfosforanem i powstają dwie cząsteczki 3-fosfoglicerynianu Z fosfoglicerynianu powstają fosforany heksoz i regenerowany jest rybulozo-1,5- bisfosforan W procesie włączania dwutlenku węgla do heksoz zuŜywane są trzy cząsteczki ATP i dwie cząsteczki NADPH Przykład biologiczny Wybuch wulkanu moŜe wpływać na fotosyntezę na całym świecie Skrobia i sacharoza są głównymi węglowodanami magazynowanymi w roślinach Przykład biologiczny Dlaczego chleb staje się czerstwy: rola skrobi 23.2 Aktywność cyklu Calvina zaleŜy od warunków środowiska Tioredoksyna odgrywa kluczową rolę w regulacji cyklu Calvina Rubisco katalizuje równieŜ niekorzystną reakcję oksygenacji Szlak C4 występujący u roślin tropikalnych przyspiesza fotosyntezę przez gromadzenie dwutlenku węgla Metabolizm kwasowy roślin gruboszowatych (CAM) umoŜliwia im wzrost w ekosystemach o ograniczonym dostępie do wody SEKCJA 11 Metabolizm glikogenu i cykl pentozofosforanowy Rozdział 24 Rozkład glikogenu 24.1 Rozkład glikogenu wymaga wspólnego działania kilku enzymów Fosforylaza katalizuje rozkład glikogenu i uwolnienie glukozo-1-fosforanu Do rozkładu glikogenu konieczny jest równieŜ enzym usuwający rozgałęzienia Fosfoglukomutaza przekształca glukozo-1-fosforan w glukozo-6-fosforan Wątroba zawiera glukozo-6-fosfatazę, enzym hydrolityczny, który nie występuje w mięśniach 24.2 Aktywność fosforylazy regulują oddziaływania allosteryczne i odwracalna fosforylacja Fosforylaza w mięśniach jest regulowana przez wewnątrzkomórkowy ładunek energetyczny W wątrobie fosforylaza wytwarza glukozę potrzebną innym tkankom Kinazę fosforylazową aktywuje fosforylacja i jony wapnia Zastosowanie kliniczne Chorobę Hersa wywołuje niedobór fosforylazy 428 429 433 433 434 436 436 438 439 440 440 441 442 443 444 449 451 452 452 453 454 455 455 456 457 458 459 24.3 Do rozkładu glikogenu potrzebne są sygnały adrenaliny i glukagonu Białko G przekazuje sygnał do rozpoczęcia rozkładu glikogenu W razie konieczności rozkład glikogenu moŜna szybko zahamować Przykład biologiczny Spadek ilości glikogenu koreluje z początkiem zmęczenia 459 459 461 Rozdział 25 Synteza glikogenu 25.1 Synteza i degradacja glikogenu przebiegają odrębnymi szlakami UDP-glukoza jest aktywowaną formą glukozy Syntaza glikogenową katalizuje przeniesienie glukozy z UDP-glukozy na rosnący łańcuch glikogenu Enzym rozgałęziający tworzy wiązania α-1,6-glikozydowe Syntaza glikogenową jest głównym enzymem, którego aktywność podlega regulacji w procesie syntezy glikogenu Glikogen jest wydajną formą magazynowania glukozy 25.2 Powiązania metaboliczne; rozkład i synteza glikogenu podlegają wspólnej regulacji Fosfataza białkowa 1 hamuje aktywność regulacyjną kinaz związanych z metabolizm glikogenu Insulina stymuluje syntezę glikogenu poprzez inaktywację kinazy syntazy glikogenowej Metabolizm glikogenu w wątrobie reguluje poziom glukozy we krwi Zastosowanie kliniczne Cukrzycę wywołuje niedobór insuliny i nadmiar glukagonu Zastosowanie kliniczne Choroby związane z metabolizmem glikogenu są zrozumiałe z biochemicznego punktu widzenia 466 466 467 Rozdział 26 Szlak pentozofosforanowy 26.1 Szlak pentozofosforanowy prowadzi do powstania NADPH i 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 26.2 Powiązania metaboliczne: glikoliza i szlak pentozo fosforanowy podlegają wspólnej regulacji StęŜenie NADP+ reguluje szybkość przemian szlaku pentozofosforanowego Losy glukozo-6-fosforanu zaleŜą od zapotrzebowania na NADPH, rybozo-5-fosforan i ATP 26.3 Dehydrogenaza glukozo-6-fosforanowa łagodzi stres oksydacyjny Zastosowanie kliniczne Niedobór dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej powoduje anemię hemolityczną indukowaną przez leki Przykład biologiczny Niedobór dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej moŜe w pewnych sytuacjach decydować o przewadze ewolucyjnej 462 467 468 469 469 470 471 472 473 474 475 480 481 481 483 485 485 486 488 488 489 SEKCJA 12 Metabolizm kwasów tłuszczowych i lipidów Rozdział 27 Rozkład kwasów tłuszczowych 27.1 Rozkład kwasów tłuszczowych zachodzi w trzech etapach Triacyloglicerole są hydrolizowane przez lipazy aktywowane hormonami Przed utlenieniem kwasy tłuszczowe są przyłączane do koenzymu A Zastosowanie kliniczne Jeśli kwasy tłuszczowe nie mogą przedostać się do mitochondrium, to dochodzi do rozwoju chorób Acetylo-CoA, NADH i FADH2 powstają w cyklu utleniania kwasów tłuszczowych W wyniku całkowitego utlenienia palmitynianu powstaje 106 cząsteczek ATP 27.2 Rozkład kwasów tłuszczowych nienasyconych lub o nieparzystej liczbie atomów węgla wymaga dodatkowych etapów Do utleniania nienasyconych kwasów tłuszczowych potrzebne są izomeraza i reduktaza Produktem końcowego etapu tiolizy kwasów tłuszczowych o nieparzystej liczbie atomów węgla jest propionylo-CoA 27.3 Innym źródłem energii pochodzącym z rozkładu tłuszczów są ciała ketonowe Synteza ciał ketonowych zachodzi w wątrobie Zwierzęta nie mogą przekształcać kwasów tłuszczowych w glukozę 27.4 Powiązania metaboliczne; metabolizm kwasów tłuszczowych odzwierciedla róŜne stany fizjologiczne Cukrzyca moŜe prowadzić do powstawania nadmiaru ciał ketonowych, co zagraŜa Ŝyciu Ciała ketonowe są głównym źródłem energii w czasie głodu Rozdział 28 Synteza kwasów tłuszczowych 28.1 Synteza kwasów tłuszczowych przebiega w trzech etapach Cytrynian przenosi grupy acetylowi z mitochondriów do cytoplazmy NADPH biorący udział w syntezie kwasów tłuszczowych pochodzi z kilku źródeł Tworzenie malonylo-CoA jest decydującym etapem w syntezie kwasów tłuszczowych Biosynteza kwasów tłuszczowych jest serią reakcji: kondensacji, redukcji, odwodnienia i redukcji Synteza palmitynianu wymaga 8 cząsteczek acetylo-CoA, 14 cząsteczek NADPH i 7 cząsteczek ATP U zwierząt kwasy tłuszczowe są syntetyzowane przez wielofunkcyjny kompleks enzymatyczny Zastosowanie kliniczne Inhibitory syntazy kwasów tłuszczowych mogą być uŜytecznymi lekami Zastosowanie kliniczne Mały kwas tłuszczowy, powodujący duŜe problemy 493 495 495 496 497 499 499 501 502 502 503 504 504 505 506 506 507 513 514 514 515 516 516 519 519 520 520 28.2 Procesy wydłuŜania kwasów tłuszczowych i wprowadzania wiązań nienasyconych są katalizowane przez dodatkowe układy enzymatyczne Nienasycone kwasy tłuszczowe powstają z udziałem enzymów związanych z błonami Hormony ikozanoidowe są pochodnymi wielonienasyconych kwasów tłuszczowych Zastosowanie kliniczne Mechanizm działania aspiryny polega na kowalencyjnym modyfikowaniu kluczowego enzymu 28.3 Karboksylaza acetylo-CoA odgrywa kluczową rolę w regulacji metabolizmu kwasów tłuszczowych Stan komórki reguluje aktywność karboksylazy acetylo-CoA RóŜne hormony regulują aktywność karboksylazy acetylo-CoA 28.4 Powiązania metaboliczne: etanol zmienia metabolizm energetyczny wątroby Rozdział 29 Biosynteza lipidów: zapasowych, fosfolipidów i cholesterolu 29.1 Kwas fosfatydowy jest prekursorem lipidów zapasowych i wielu lipidów błonowych Synteza triacyloglicerolu z kwasu fosfatydowego zachodzi w dwóch etapach Synteza fosfolipidów wymaga aktywowanych prekursorów Sfingolipidy są syntetyzowane z ceramidu Zastosowanie kliniczne Gangliozydy słuŜą jako miejsca wiąŜące patogeny Zastosowanie kliniczne Zespół błon szklistych (ang. respiratory distress syndrome) i choroba Taya-Sachsa wynikają z zaburzenia metabolizmu lipidów Fosfataza kwasu fosfatydowego jest kluczowym enzymem regulującym metabolizm lipidów 29.2 Synteza cholesterolu z acetylokoenzymu A przebiega w trzech etapach Synteza mewalonianu inicjuje syntezę cholesterolu Skwalen (C30) jest syntetyzowany z sześciu cząsteczek pirofosforanu izopentenylu (C5) Skwalen cyklizuje do cholesterolu 29.3 Regulacja biosyntezy cholesterolu zachodzi na wielu poziomach 29.4 Lipoproteiny transportują cholesterol i triacyloglicerole Lipoproteiny o małej gęstości odgrywają główną rolę w metabolizmie cholesterolu Zastosowanie kliniczne Brak receptora LDL prowadzi do hipercholesterolemii i miaŜdŜycy Zastosowanie kliniczne HDL prawdopodobnie chronią przed miaŜdŜycą 29.5 Cholesterol jest prekursorem hormonów steroidowych Sole Ŝółciowe ułatwiają absorpcję tłuszczów Hormony steroidowe są waŜnymi cząsteczkami sygnałowymi Witamina D powstaje z cholesterolu przy udziale energii światła 521 521 522 522 522 523 524 525 530 530 531 531 533 534 535 535 536 537 538 539 539 541 543 544 546 546 546 547 słonecznego Zastosowanie kliniczne Witamina D jest niezbędna do rozwoju kości Zastosowanie kliniczne Androgeny mogą być wykorzystywane do sztucznego podnoszenia wydajności atletycznej Steroidy są hydroksylowane przez monooksygenazy cytochromu P450 Powiązania metaboliczne: etanol jest takŜe przetwarzany przez system P450 SEKCJA 13 Metabolizm cząsteczek zawierających azot Rozdział 30 Degradacja aminokwasów i cykl mocznikowy 30.1 Usunięcie azotu jest pierwszym etapem degradacji aminokwasów Grupy α-aminowe są przekształcane w jony amonowe w procesie deaminacji oksydacyjnej glutaminianu Azot z tkanek obwodowych jest transportowany do wątroby 30.2 Większość kręgowców lądowych przekształca jony amonowe w mocznik Cykl mocznikowy jest związany z glukoneogenezą Zastosowanie kliniczne Powiązania metaboliczne a medycyna: dziedziczne zaburzenia cyklu mocznikowego wywołują hiperamonemię Przykład biologiczny Usuwanie azotu podczas hibernacji Przykład biologiczny Mocznik nie jest jedynym sposobem usuwania nadmiaru azotu 30.3 Atomy węgla pochodzące z rozkładanych aminokwasów są przekształcane w główne intermediaty metabolizmu Pirogronian jest związkiem łączącym degradację aminokwasów z metabolizmem komórki Szczawiooctan jest kolejnym związkiem łączącym degradację aminokwasów z metabolizmem komórki Alfa-ketoglutaran jest kolejnym związkiem łączącym degradację aminokwasów z metabolizmem komórki Bursztynylo-CoA łączy degradację kilku aminokwasów niepolarnych z metabolizmem komórki Rozkład aminokwasów rozgałęzionych prowadzi do powstania acetylo-CoA, acetooctanu lub bursztynylo-CoA Do rozkładu aminokwasów aromatycznych wymagane są oksygenzy Degradacja metioniny prowadzi do powstania bursztynylo-CoA Zastosowanie kliniczne Wrodzone wady metaboliczne mogą zakłócać proces degradacji aminokwasów Rozdział 31 Synteza aminokwasów 31.1 Kompleks nitrogenazy wiąŜe azot 547 548 549 549 549 550 555 557 558 558 560 561 563 563 564 265 565 566 567 567 568 568 570 571 572 577 578 Kofaktor molibdenowo-Ŝelazowy nitrogenezy wiąŜe i redukuje azot atmosferyczny Jon amonowy jest włączany do aminokwasów za pośrednictwem glutaminianu i glutaminy 31.2 Aminokwasy powstają ze związków pośrednich głównych szlaków metabolicznych Organizm ludzki syntetyzuje niektóre aminokwasy, lecz pozostałe musi uzyskać wraz z poŜywieniem Niektóre aminokwasy mogą być wytwarzane na drodze prostych reakcji transaminacji Seryna, cysteina i glicyna powstają z 3-fosfoglicerynianu Tetrahydrofolian przenosi aktywowane fragmenty jednowęglowe S-adenozylometionina jest głównym donorem grup metylowych Zastosowanie kliniczne Wysoki poziom homocysteiny ma związek z chorobami naczyniowymi 31.3 Biosynteza aminokwasów jest regulowana na drodze hamowania przez sprzęŜenie zwrotne Etap nieodwracalny jest wspólnym miejscem regulacji Rozgałęzione szlaki metaboliczne wymagają złoŜonych mechanizmów regulacji Rozdział 32 Metabolizm nukleotydów 32.1. Zarys biosyntezy i nazewnictwo nukleotydów 32.2. Pierścień pirymidynowy po złoŜeniu jest przyłączany do rybozy CTP powstaje w wyniku aminacji UTP Kinazy odpowiadają za zamianę monofosforanów w trifosforany nukleozydów Szlak rezerwowy umoŜliwia odzyskiwanie zasad pirymidynowych 32.3 Pierścienie purynowe są budowane na rybozylofosforanie AMP i GMP powstają z IMP Enzymy szlaku syntezy puryn w warunkach in vivo są ze sobą wzajemnie powiązane Zasady mogą być odzyskiwane w szlakach rezerwowych 32.4 Rybonukleotydy są redukowane do deoksyrybonukleotydów Deoksytymidylan powstaje w wyniku metylacji deoksyurydylanu Zastosowanie kliniczne Wiele cennych leków stosowanych w terapii nowotworowej blokuje syntezę deoksytymidylanu 32.5 Regulacja biosyntezy nukleotydów odbywa się na zasadzie hamowania drogą sprzęŜenia zwrotnego Biosynteza pirymidyn jest regulowana przez karbamoilotransferazę asparaginianową Synteza nukleotydów purynowych jest kontrolowana w kilku miejscach na drodze sprzęŜenia zwrotnego Synteza deoksyrybonukleotydów jest kontrolowana na drodze regulacji reduktazy rybonukleotydowej 579 579 581 581 582 582 583 584 586 586 586 587 592 593 594 596 596 597 597 599 599 600 601 602 602 604 604 604 605 32.6 Zaburzenia metabolizmu nukleotydów są przyczyną róŜnych chorób Zastosowanie kliniczne Utrata aktywności deaminazy adenozynowej prowadzi do cięŜkiego złoŜonego niedoboru odporności Zastosowanie kliniczne Dna moczanowa powstaje w wyniku wysokiego poziomu moczanu w surowicy Zastosowanie kliniczne Zespół Lescha-Nyhana jest powaŜnym następstwem mutacji enzymów szlaku rezerwowego Zastosowanie kliniczne Niedobór kwasu foliowego wywołuje wady wrodzone, takie jak rozszczep kręgosłupa 606 606 607 608 609 CZĘŚĆ III SYNTEZA CZĄSTECZEK śYCIA SEKCJA 14 Struktura kwasów nukleinowych i replikacja DNA Rozdział 33 Struktura cząsteczek informacyjnych: OMA i RHA 33.1 Kwas nukleinowy jest zbudowany z zasad połączonych ze szkieletem cukrowo-fosforanowym DNA i RNA róŜnią się składnikiem cukrowym oraz jedną z zasad Nukleotydy to monomeryczne podjednostki kwasów nukleinowych Cząsteczki DNA są bardzo długie oraz są spolaryzowane 33.2 Łańcuchy kwasu nukleinowego mogą tworzyć strukturę podwójnej helisy Podwójna helisa jest stabilizowana przez wiązania wodorowe oraz oddziaływania hydrofobowe Podwójna helisa ułatwia dokładne przekazywanie informacji dziedzicznej Meselson i Stahl udowodnili, Ŝe replikacja jest semikonserwatywna Nici podwójnej helisy mogą zostać odwracalnie rozdzielone 33.3 Podwójne helisy DNA mogą przyjmować róŜne formy Z-DNA jest lewoskrętną, podwójną helisą o zygzakowatym układzie grup fosforanowych szkieletu cukrowo-fosforanowego DuŜy i mały rowek są wyścielone grupami zdolnymi do tworzenia wiązań wodorowych, których rozmieszczenie zaleŜy od sekwencji nukleotydowej DNA Dwuniciowe cząsteczki DNA mogą ulegać dalszemu skręceniu, tworząc struktury superhelikalne 33.4 Eukariotyczny DNA jest związany ze specyficznymi białkami Nukleosomy są kompleksami DNA i histonów Eukariotyczny DNA jest owinięty wokół histonów, tworząc nukleosomy Zastosowanie kliniczne Uszkodzenie DNA moŜe zahamować wzrost komórek nowotworowych 33.5 Cząsteczki RNA mogą przyjmować bardzo złoŜone struktury Rozdział 34 Replikacja DNA 613 615 616 616 617 618 620 620 622 622 623 624 625 625 626 628 628 629 631 631 637 34.1 DNA jest powielany przez polimerazy Polimeraza DNA katalizuje tworzenie wiązania fosfodiestrowego Specyficzność replikacji jest zdefiniowana przez komplementarność zasad Rozdzielenie nici DNA wymaga specyficznych helikaz oraz hydrolizy ATP Topoizomerazy przygotowują podwójną helisę do rozplecenia Zastosowanie kliniczne Topoizomeraza bakteryjna jako cel terapeutyczny Wiele polimeraz sprawdza poprawność nowo dodanych zasad i usuwa błędy 34.2 Replikacja DNA jest procesem ściśle skoordynowanym Replikacja DNA u E. coli rozpoczyna się w jednym, określonym miejscu Starter RNA syntezowany przez prymazę pozwala na rozpoczęcie syntezy DNA Jedna nić DNA jest syntezowana w sposób ciągły, a druga powstaje we fragmentach Replikacja DNA wymaga bardzo procesywnych polimeraz Nić wiodąca oraz opóźniona są syntetyzowane w skoordynowany sposób Synteza DNA u eukariotów jest bardziej skomplikowana niŜ u bakterii Telomery to specjalne struktury na końcach liniowych chromosomów Zastosowanie kliniczne Telomery są replikowane przez telomerazę, wyspecjalizowaną polimerazę, która zawiera własną matrycę 638 638 640 641 642 643 Rozdział 35 Naprawa i rekombinacja DNA 35.1 Podczas replikacji DNA pojawiają się błędy Zastosowanie kliniczne Niektóre choroby genetyczne są efektem zwiększenia liczby powtórzeń trójnukleotydowych Uszkodzenia zasad są wywoływane przez czynniki utleniające, czynniki alkilujące oraz światło 35.2 Uszkodzenia DNA zostają wykryte i naprawione Obecność w DNA tyminy zamiast uracylu pozwala na naprawę deaminowanej cytozyny Zastosowanie kliniczne Uszkodzenia systemów naprawy DNA są przyczyną wielu nowotworów Zastosowanie kliniczne Wiele potencjalnych kancerogenów wykrywa się dzięki testowaniu ich mutagennego działania na bakterie 35.3 Rekombinacja DNA odgrywa istotną rolę w replikacji oraz naprawie DNA Pęknięcia w obu niciach mogą być naprawione za pomocą rekombinacji Rekombinacja DNA jest waŜna dla wielu róŜnych procesów biologicznych 655 656 664 665 665 SEKCJA 15 Synteza RNA, dojrzewanie i regulacja 669 Rozdział 36 Synteza RNA i jej regulacja u bakterii 36.1 Komórkowy RNA jest syntetyzowany przez polimerazę RNA Geny są jednostkami transkrypcyjnymi 671 671 672 643 644 644 645 645 646 647 649 650 651 656 657 659 662 662 663 Polimeraza RNA zbudowana jest z wielu podjednostek 36.2 Syntezę RNA moŜna podzielić na trzy etapy Transkrypcja rozpoczyna się od promotorów znajdujących się na matrycy DNA Podjednostka sigma polimerazy RNA rozpoznaje miejsca promotorowe Łańcuchy RNA są syntetyzowane w kierunku 5'→3' Elongacja zachodzi w bąblach transkrypcyjnych poruszających się wzdłuŜ matrycy DNA W syntetyzowanej cząsteczce RNA struktura spinki do włosów, za którą następuje ciąg reszt urydylowych, jest sygnałem terminacji transkrypcji niektórych genów Białko rho pomaga w terminacji transkrypcji niektórych genów Prokariotyczne prekursory transportujących i rybosomowych RNA są rozcinane i chemicznie modyfikowane po zakończeniu transkrypcji Zastosowanie kliniczne Niektóre antybiotyki blokują transkrypcję 36.3 Operon lac obrazuje sposoby kontroli ekspresji genów u bakterii Operon składa się z elementów kontrolnych i genów kodujących białka Wiązanie liganda moŜe indukować zmiany strukturalne w białkach regulatorowych Białka oddziałujące z polimerazą RNA mogą stymulować transkrypcję Zastosowanie kliniczne i przykład biologiczny Wiele komórek bakteryjnych uwalnia cząsteczki sygnałowe regulujące ekspresję genów innych komórek Niektóre mRNA wyczuwają bezpośrednio stęŜenie pewnych metabolitów 673 674 Rozdział 37 Ekspresja genów u eukariotów 37.1 RNA w komórkach eukariotycznych jest syntetyzowany przez trzy rodzaje polimeraz RNA 37.2 Regulacja aktywności polimerazy RNA II jest złoŜona Białkowy kompleks TFIID inicjuje tworzenie aktywnego kompleksu transkrypcyjnego Sekwencje wzmacniające mogą stymulować transkrypcję w miejscach startu transkrypcji oddalonych od nich o tysiące zasad Zastosowanie kliniczne Niewłaściwa aktywność sekwencji wzmacniających moŜe być przyczyną raka Wiele czynników transkrypcyjnych oddziałuje z eukariotycznymi promotorami i enhancerami Zastosowanie kliniczne Pluripotencjalne komórki macierzyste moŜna uzyskać poprzez wprowadzenie czterech czynników transkrypcyjnych do juŜ zróŜnicowanych komórek 37.3 Hormony regulują ekspresję genów Jądrowe receptory hormonów mają podobną budowę domenową Jądrowe receptory hormonów przyłączają koaktywatory i korepresory Zastosowanie kliniczne Receptory hormonów steroidowych są miejscem działania leków 683 674 674 675 676 677 678 679 680 681 681 682 683 683 684 689 692 693 694 694 694 695 695 696 697 698 37.4 Acetylacja histonów przyczynia się do remodelowania chromatyny Powiązania metaboliczne: acetylo-CoA odgrywa istotną rolę w regulacji transkrypcji Histonowe deacetylazy biorą udział w represji transkrypcyjnej Rozdział 38 Dojrzewanie RNA u eukariotów 38.1 Większość dojrzałych cząsteczek rybosomowych RNA powstaje w wyniku rozcięcia cząsteczki wspólnego prekursora 38.2 Dojrzewanie cząsteczek transportujących RNA jest bardzo złoŜonym procesem 38.3 Prekursory informacyjnego RNA ulegają modyfikacjom i splicingowi Sekwencje na końcach intronów wyznaczają miejsca splicingowe w mRNA Niskocząsteczkowe jądrowe RNA (snRNA) katalizują splicing prekursorów mRNA Zastosowanie kliniczne Mutacje zaburzające splicing pre-mRNA wywołują choroby Zastosowanie kliniczne Większość ludzkich pre-mRNA ulega alternatywnemu splicingowi, generując róŜne białka Transkrypcja i dojrzewanie RNA są ze sobą sprzęŜone Redagowanie (edytowanie) RNA zmienia sekwencję mRNA i kodowanego białka 38.4 RNA moŜe być katalizatorem SEKCJA 16 Synteza białka i techniki rekombinacji DNA Rozdział 39 Kod genetyczny 39.1 Kod genetyczny łączy ze sobą informację zawartą w kwasach nukleinowych i białkach Kod genetyczny jest niemal uniwersalny Cząsteczki tRNA mają wspólny plan budowy Niektóre cząsteczki transportujących RNA rozpoznają więcej niŜ jeden kodon dzięki zasadzie tolerancji (oddziaływania typu „wobble") Synteza białek o długich łańcuchach polipeptydowych wymaga wierności przekładu 39.2 Aktywacja aminokwasów zachodzi w drodze przyłączenia ich do transportującego RNA Pierwszym etapem aktywacji aminokwasów jest adenylacja Syntetazy aminoacylo-tRNA są wysoce specyficzne wobec danego aminokwasu Aktywność korekcyjna syntetaz aminoacylo-tRNA zwiększa poprawność syntezy białka Syntetazy rozpoznają w cząsteczkach tRNA pętlę antykodonową i ramię akceptorowe 698 699 701 705 706 706 707 708 709 711 712 713 713 714 719 721 722 723 724 725 726 727 728 729 729 730 39.3 Rybosom jest cząstką rybonukleoproteinową zbudowaną z dwóch podjednostek Rybosomowy RNA pełni waŜne zadania w procesie syntezy białka Informacyjny RNA ulega translacji w kierunku 5'→3' Rozdział 40 Mechanizm syntezy białka 40.1 W czasie syntezy białka dochodzi do dekodowania informacji zawartej w mRNA W rybosomach występują trzy miejsca wiązania obejmujące obie podjednostki 30S i 50S Sygnałem inicjacji translacji jest kodon start AUG (lub GUG) poprzedzony kilkoma nukleotydami parującymi się z rybosomowym 16S RNA Bakteryjna synteza białka rozpoczyna się z udziałem formylometionylo-tRNA Podczas formowania się kompleksu inicjującego 70S formylometionylo-tRNAf jest lokowany w miejscu P Czynniki elongacyjne dostarczają do rybosomu aminoacylo-tRNA 40.2 Transferaza peptydylowa katalizuje syntezę wiązania peptydowego Po syntezie wiązania peptydowego GTP napędza translokację tRNA i mRNA W zakończeniu syntezy białka biorą udział czynniki terminacyjne rozpoznające kodony stop 40.3 Inicjacja syntezy białka przebiega odmiennie u prokariotów i eukariontów Zastosowanie kliniczne Mutacje w genie czynnika inicjującego 2 wywołują dziwne objawy patologiczne 40.4 Szereg cząsteczek biologicznych moŜe hamować syntezę białka Zastosowanie kliniczne Niektóre antybiotyki hamują syntezę białka Zastosowanie kliniczne Toksyna błonicy blokuje syntezę białka u eukariotów poprzez blokowanie translokacji Zastosowanie kliniczne Rycyna nieodwracalnie uszkadza rybosomowy 28S RNA 40.5 Rybosomy związane z retikulum endoplazmatycznym syntetyzują białka wydzielnicze i białka błon Synteza białka rozpoczyna się na wolnych rybosomach znajdujących się w cytoplazmie Obecność sekwencji sygnałowej decyduje o translokacji białka w poprzek błony retikulum endoplazma tycznego 40.6 Mechanizmy regulujące syntezę białka Dostępność mRNA dla maszynerii translacyjnej moŜe być regulowana Stabilność mRNA moŜe być równieŜ przedmiotem regulacji Małe RNA regulują stabilność mRNA i jego dostępność w procesie translacji Rozdział 41 Techniki rekombinacji DNA 41.1 Genetyka odwrotna pozwala syntetyzować kwasy nukleinowe na podstawie sekwencji białkowej 731 731 733 737 737 738 738 739 740 740 741 742 743 744 746 747 747 748 749 749 750 750 751 752 752 753 759 759 Sekwencja białka kieruje do informacji o kwasie nukleinowym Sondy DNA mogą być syntetyzowane metodami automatycznymi 41.2 Technologia rekombinacji DNA zrewolucjonizowała wszystkie aspekty biologii Enzymy restrykcyjne rozcinają DNA na specyficzne fragmenty Fragmenty restrykcyjne moŜna rozdzielać elektroforetycznie w Ŝelu i uwidaczniać Enzymy restrykcyjne i ligaza DNA są podstawowymi narzędziami w tworzeniu zrekombinowanych cząsteczek DNA 41.3 Genami eukariotycznymi moŜna precyzyjnie manipulować Komplementarny DNA syntetyzowany na matrycy mRNA moŜe ulegać ekspresji w komórkach gospodarza W wyniku przeszukiwania biblioteki cDNA moŜna zidentyfikować cDNA receptora estrogenowego Biblioteki cDNA moŜna przeszukiwać pod kątem syntetyzowanych białek Wybrane geny moŜna klonować, korzystając z trawionego DNA genomowego DNA moŜe być sekwencjonowany poprzez kontrolowaną germinację replikacji Zastosowanie kliniczne i przykład biologiczny Metody sekwencjonowania drugiej generacji pozwalają na szybkie ustalenie sekwencji całego genomu Wybrane sekwencje DNA moŜna wielokrotnie powielać, stosując łańcuchową reakcję polimerazy (PCR) Zastosowanie kliniczne i przykład biologiczny PCR jest potęŜnym narzędziem w diagnostyce medycznej, sądownictwie i w badaniu ewolucji molekularnej Poziom ekspresji genów moŜna badać w szerokim zakresie 760 762 762 763 764 765 765 766 767 767 768 770 770 771 773 773 774 Dodatki A1 Słowniczek B1 Rozwiązania zadań C1 Indeks D1 oprac. BPK
