Biochemia / Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer. wyd. 4, dodr. Warszawa, Spis treści. Przedmowa

Transkrypt

1 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 Biochemiczna jedność stanowi podłoŝe biologicznej róŝnorodności DNA obrazuje zaleŝność między formą i funkcją 4 DNA jest zbudowany z czterech rodzajów cegiełek 4 Dwie pojedyncze nici DNA łączą się tworząc dwuniciową helisę 5 Budowa DNA wyjaśnia jego funkcję nośnika i przekaźnika informacji genetycznej Właściwości cząsteczek biologicznych są wyjaśniane w kategoriach chemicznych 6 Dwuniciowa helisa powstaje z nici składowych 6 Wiązania kowalencyjne i niekowalencyjne pełnią istotną rolę w strukturze i stabilności cząsteczek biologicznych 7 Dwuniciową helisa tworzy się zgodnie z prawami chemicznymi 10 Zasady termodynamiki decydują o zachowaniu się układów biochemicznych 11 Powstawaniu dwuniciowej helisy towarzyszy uwolnienie ciepła 12 Reakcje typu kwas-zasada odgrywają istotną rolę w wielu procesach biochemicznych 14 Reakcje typu kwas-zasada mogą rozerwać dwuniciową helisę 15 Bufory regulują ph w organizmach i laboratoriach Rewolucja genomowa zmienia biochemię i medycynę 17 Zsekwencjonowanie genomu człowieka stanowi kamień milowy w historii ludzkości 18 Sekwencje genomowe kodują białka i decydują o wzorze ekspresji genów 18 Wpływ środowiska na geny człowieka 20 DODATEK: Prezentacja struktur cząsteczkowych I: małe cząsteczki 22 Rozdział 2 Skład i struktura białek Białka są zbudowane z zestawu 20 aminokwasów Struktura pierwszorzędowa: aminokwasy połączone wiązaniami peptydowymi tworzą łańcuchy polipeptydowe 34 Białka mają ściśle określone sekwencje aminokwasowe, zgodne z zapisem genetycznym 36 Łańcuchy polipeptydowe są elastyczne i rownocześnie konformacyjnie ograniczone Struktura drugorzędowa: Łańcuchy polipeptydowe mogą się zwijać w regularne struktury typu helisy alfa, harmonijki beta, wstęga-zwrot-wstęga i pętli 40

2 Helisa alfa jest skręconą strukturą, stabilizowaną wiązaniami wodorowymi w obrębie łańcucha 40 Struktura harmonijki β jest stabilizowana wiązaniami wodorowymi między łańcuchami polipeptydowymi 42 Łańcuchy polipeptydowe mogą zmieniać kierunek tworząc struktury typu wstęga-zwrot-wstęga i pętli 44 Białka fibrylarne stanowią strukturalną podporę komórek i tkanek Struktura trzeciorzędowa: białka rozpuszczalne w wodzie zwijają się w ściśle upakowane struktury z niepolarnym rdzeniem Struktura czwartorzędowa: łańcuchy polipeptydowe mogą się składać w struktury złoŝone z wielu podjednostek Sekwencja aminokwasowa białka określa jego strukturę przestrzenną 50 Aminokwasy róŝnią się skłonnościami do tworzenia helis alfa, struktur beta i zwrotów beta 52 Nieprawidłowe zwijanie się białka i jego agregacja wiąŝą się z niektórymi chorobami neurologicznymi 53 Zwijanie się białek jest procesem wysoce kooperatywnym 55 Zwijanie się białek jest procesem nieprzypadkowym i zachodzi w drodze postępującej stabilizacji form pośrednich 55 Przewidywanie przestrzennej struktury białek na podstawie ich sekwencji jest trudnym wyzwaniem 57 Białka uzyskują nowe zdolności przez modyfikację i rozcinanie 57 DODATEK: Prezentacja struktur cząsteczkowych II: białka 61 Rozdział 3 Poznawanie białek i proteomów 65 Proteom jest funkcjonalnym przedstawicielem genomu Oczyszczanie białek jest pierwszym, podstawowym etapem poznawania ich funkcji 66 Test: jak rozpoznać poszukiwane białko? 67 Białka przed oczyszczeniem trzeba wyizolować z komórki 67 Białka moŝna oczyszczać, wykorzystując ich rozpuszczalność, wielkość, ładunek i powinowactwo wiązania 68 Białka moŝna rozdzielić i uwidocznić, stosując elektroforezę Ŝelową 71 Wydajność procesu oczyszczania białka na poszczególnych etapach moŝna ocenić ilościowo 74 Ultrawirowanie jest cenną metodą rozdzielania biocząsteczek i oznaczania ich masy cząsteczkowej Sekwencję aminokwasów moŝna oznaczyć techniką zautomatyzowanej degradacji Edmana 78 Białka moŝna rozcinać na małe peptydy w celu ułatwienia sekwencjonowania 80 Sekwencje aminokwasowe dostarczają róŝnego rodzaju informacji 82 Technologia rekombinacji DNA zrewolucjonizowała sekwencjonowanie białka Immunologia wprowadziła waŝne techniki wykorzystywane w badaniu białek 84 MoŜna produkować przeciwciała dla specyficznych białek 84 Łatwo otrzymać przeciwciała monoklonalne o dowolnej poŝądanej swoistości 85

3 Białka moŝna wykrywać i oznaczać ilościowo, stosując test immunologiczny na podłoŝu stałym 87 Technika western umoŝliwia wykrycie białek rozdzielonych za pomocą elektroforezy Ŝelowej 88 Markery fluorescencyjne pozwalają uwidocznić białka w komórkach Peptydy moŝna syntetyzować automatycznie na stałym podłoŝu Spektrometria mas jest bardzo skuteczną metodą pozwalającą scharakteryzować i zidentyfikować białko 93 Masę cząsteczkową białek moŝna dokładnie oznaczyć metodą spektrometrii mas 93 Poszczególne składniki duŝych kompleksów białkowych moŝna identyfikować metodą spektrometrii mas MALDI-TOF Strukturę przestrzenną białek moŝna oznaczyć za pomocą krystalografii rentgenowskiej i spektroskopii NMR 96 Krystalografia rentgenowska ujawnia szczegóły struktury na poziomie atomowym 96 Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego ujawnia strukturę białek w roztworze 98 Rozdział 4 DNA, RNA i przepływ informacji genetycznej Kwas nukleinowy składa się z czterech rodzajów zasad przyłączonych do rdzenia cukrowo-fosforanowego 108 RNA i DNA róŝnią się składnikiem cukrowym i jedną z zasad 108 Nukleotydy są monomerycznymi jednostkami kwasów nukleinowych Para łańcuchów kwasów nukleinowych o komplementarnych sekwencjach moŝe tworzyć dwuniciową helisę 111 Podwójną helisę stabilizują mostki wodorowe i oddziaływania hydrofobowe 111 Podwójna helisa ułatwia wierne przekazywanie informacji dziedzicznej 113 Dwuniciowa helisa ulega odwracalnemu topnieniu 114 Niektóre cząsteczki DNA są koliste i superhelikalne 115 Jednoniciowe cząsteczki kwasów nukleinowych mogą tworzyć złoŝone struktury Replikację DNA katalizują polimerazy według instrukcji matrycy 117 Polimeraza DNA katalizuje tworzenie wiązań fosfodiestrowych 117 Geny niektórych wirusów zbudowane są z RNA Ekspresja genów jest przekształceniem informacji zawartej w DNA w funkcjonalne cząsteczki 119 W ekspresji genów kluczową rolę odgrywa kilka rodzajów RNA 119 Wszystkie komórkowe RNA są syntetyzowane przez polimerazy RNA 120 Polimerazy RNA czerpią instrukcje z matrycy DNA 121 Transkrypcja rozpoczyna się w pobliŝu miejsc promotorowych i kończy się w miejscach terminacji 122 Transportujący RNA pełni funkcje cząsteczki adaptorowej w procesie biosyntezy białka Aminokwasy są kodowane przez grupy trzech zasad. Ich odczytywanie zaczyna się w określonym punkcie 124 Główne cechy kodu genetycznego 125 Informacyjny RNA zawiera sygnały start i stop do syntezy białka 126 Kod genetyczny jest prawie uniwersalny 126

4 4.6 Większość genów eukariotów jest mozaiką intronów i egzonów 127 Dojrzewanie RNA prowadzi do powstania funkcjonalnych mrna 128 Wiele egzonów koduje domeny białkowe 128 Rozdział 5 Poznawanie genów i genomów Podstawowe narzędzia wykorzystywane w poznawaniu genów 135 Enzymy restrykcyjne rozcinają DNA na specyficzne fragmenty 135 Fragmenty restrykcyjnie moŝna rozdzielać elektroforetycznie w Ŝelu i uwidaczniać 136 Najczęściej sekwencjonuje się DNA przez kontrolowaną germinację replikacji 138 Metody syntezy na stałym podłoŝu pozwalają automatycznie syntetyzować sondy DNA i geny 139 Wybrane sekwencje DNA moŝna wielokrotnie powielać, stosując reakcję łańcuchową polimeryzacji (PCR) 140 PCR jest potęŝnym narzędziem w diagnostyce medycznej, sądownictwie i w badaniu ewolucji molekularnej Technologia rekombinacji DNA zrewolucjonizowała wszystkie dziedziny biologii 142 Enzymy restrykcyjne i ligaza DNA są podstawowymi narzędziami w tworzeniu zrekombinowanych cząsteczek DNA 143 Plazmidy i fag lambda są dogodnymi wektorami do klonowania DNA w bakteriach 144 Sztuczne chromosomy bakteryjne i droŝdŝowe 146 Poszczególne geny moŝna klonować po enzymatycznym trawieniu genomowego DNA 146 Przez bezpośrednie zmiany w DNA moŝna tworzyć białka o nowych funkcjach Poznano i przeanalizowano sekwencje całych genomów 149 Poznano kompletne sekwencje genomowe wielu organizmów - od bakterii do wielokomórkowych eukariotów 149 Ukończono sekwencjonowanie genomu człowieka 150 Genomika porównawcza stała się potęŝnym narzędziem badawczym 151 Poziom ekspresji genów moŝna badać w szerokim zakresie Techniki inŝynierii genetycznej pozwalają precyzyjnie manipulować genami eukariotycznymi 152 DNA syntetyzowany na matrycy mrna (cdna) moŝe ulegać ekspresji w komórkach gospodarza 153 Nowe geny wprowadzone do komórek eukariotycznych mogą ulegać wydajnej ekspresji 154 Geny wprowadzone do komórek zarodkowych ulegają ekspresji w transgenicznych zwierzętach 155 Uszkodzenie genu prowadzi do poznania jego funkcji 156 Interferencja RNA jest nowym narzędziem wyciszania ekspresji genów 157 Aby wprowadzić nowe geny do komórek roślinnych, wykorzystuje się plazmidy indukujące guzy 157 Terapia genowa jest obiecującym narzędziem medycyny 158 Rozdział 6 Poznawanie ewolucji i bioinformatyka 164

5 6.1 Cechy homologiczne pochodzą od wspólnego przodka Analiza statystyczna przyrównań sekwencji moŝe wykryć homologię 166 Istotność statystyczną przyrównania sekwencji moŝna oszacować przez tasowanie 168 Odlegle pokrewieństwo ewolucyjne moŝna wykryć uŝywając macierzy substytucji 168 W celu zidentyfikowania sekwencji homologicznych moŝna przeszukiwać bazy danych Badanie struktury przestrzennej wzbogaca naszą wiedzę o ewolucyjnym pokrewieństwie 172 Struktura trzeciorzędowa jest bardziej konserwatywna niŝ pierwszorzędowa 173 Wiedza o budowie przestrzennej moŝe pomóc w ocenie przyrównania sekwencji 174 Przyrównanie sekwencji do niej samej pozwala wykryć powtórzone motywy 174 Ewolucja konwergentna: te same rozwiązania na podobne wyzwania biochemiczne 175 Porównanie sekwencji RNA moŝe dać wgląd w struktury drugorzędowe Na podstawie informacji zawartej w sekwencjach moŝna konstruować drzewa ewolucyjne Nowoczesne techniki umoŝliwiają eksperymentalne badanie procesów ewolucyjnych 178 StaroŜytny DNA moŝna czasami amplifikować i sekwencjonować 178 Ewolucję molekularną moŝna badać eksperymentalnie 178 Rozdział 7 Hemoglobina: portret białka w działaniu Mioglobina i hemoglobina wiąŝą tlen przez atom Ŝelaza w hemie 184 Budowa mioglobiny zapobiega uwalnianiu reaktywnych form tlenu 185 Hemoglobina ludzka jest układem czterech podjednostek podobnych do mioglobiny Hemoglobina wiąŝe tlen kooperatywnie 187 Wiązanie tlenu wyraźnie zmienia strukturę czwartorzędową hemoglobiny 188 Kilka modeli pozwala potencjalnie wytłumaczyć kooperatywność hemoglobiny 189 Zmiany strukturalne w grupach hemowych są przekazywane do strefy kontaktu między dimerami α 1 β 1 -α 2 β W erytrocytach 2,3-bisfosfoglicerynian jest najwaŝniejszym regulatorem powinowactwa hemoglobiny do tlenu Efekt Bohra: protony i dwutlenek węgla sprzyjają uwalnianiu tlenu Mutacje w genach kodujących podjednostki hemoglobiny mogą być przyczyną choroby 194 Przyczyną anemii sierpowatej jest agregacja nieprawidłowych cząsteczek deoksyhemoglobiny 195 Talasemia jest spowodowana niezrównowaŝonym wytwarzaniem łańcuchów hemoglobiny 196 Erytrocyty zapobiegają akumulacji wolnych łańcuchów α hemoglobiny 197 W genomie ludzkim znajdują się geny kodujące równieŝ inne globiny 197 DODATEK: Modele wiązania moŝna sformułować w kategoriach

6 ilościowych: wykres Hilla i model jednoprzejściowy 199 Rozdział 8 Enzymy: podstawowe pojęcia i kinetyka Enzymy są potęŝnymi i specyficznymi katalizatorami 206 Do aktywności wielu enzymów konieczne są kofaktory 207 Enzymy przekształcają jedną formę energii w drugą Energia swobodna jest funkcją termodynamiczną uŝyteczną w zrozumieniu działania enzymów 208 Zmiana energii swobodnej dostarcza informacji o spontaniczności reakcji, nie zaś o jej szybkości 208 Standardowa zmiana energii swobodnej reakcji jest związana ze stałą równowagi 208 Enzymy zmieniają szybkość reakcji, nie mając wpływu na jej równowagę Enzymy przyspieszają reakcję, ułatwiając tworzenie stanu przejściowego 211 Pierwszym etapem katalizy enzymatycznej jest utworzenie kompleksu enzym-substrat 212 Miejsca aktywne enzymów mają pewne cechy wspólne 214 Energia wiązania enzymu z substratem jest istotna dla katalizy Model Michaelisa-Menten opisuje właściwości kinetyczne wielu enzymów 216 Kinetyka to badanie szybkości reakcji 216 Opis kinetyki enzymów jest ułatwiony, gdy załoŝymy osiągnięcie stanu stacjonarnego 217 Wartości K M i V max moŝemy wyznaczyć na kilka sposobów 220 Wartości K M i V max są waŝnymi właściwościami enzymów 220 Wydajność katalityczną enzymów charakteryzuje K kat /K M 221 Większość reakcji biochemicznych dotyczy kilku substratów 223 Enzymy allosteryczne działają niezgodnie z kinetyką Michaelisa-Menten Enzymy mogą być hamowane przez specyficzne cząsteczki 225 Inhibitory odwracalne są kinetycznie rozróŝnialne 226 Inhibitory nieodwracalne mogą być uŝyte do mapowania miejsca aktywnego enzymu 228 Analogi stanu przejściowego są silnymi inhibitorami enzymów 231 Przeciwciała katalityczne pokazują, jak waŝne jest selektywne wiązanie stanu przejściowego dla aktywności enzymatycznej 232 Penicylina nieodwracalnie inaktywuje istotny enzym syntezy ścian komórkowych bakterii 232 DODATEK: Enzymy klasyfikuje się na podstawie typów katalizowanych reakcji 236 Rozdział 9 Strategie katalityczne 241 Kilka podstawowych zasad katalizy dotyczy wielu enzymów Proteazy ułatwiają zasadniczo trudną reakcję 243 Chymotrypsyna zawiera niezwykle reaktywną resztę seryny 243 Działanie chymotrypsyny przebiega w dwóch etapach połączonych przez kowalencyjnie związany produkt pośredni 244 Seryna jest częścią triady katalitycznej, obejmującej równieŝ histydynę i kwas asparaginowy 245

7 Triady katalityczne występują w innych enzymach hydrolitycznych 248 Triadę katalityczną szczegółowo poznano dzięki zastosowaniu ukierunkowanej mutagenezy 250 Innymi głównymi klasami enzymów proteolitycznych są proteazy cysteinowe, aspartylowe i metaloproteazy 251 Inhibitory proteaz są waŝnymi lekami Anhydrazy węglanowe przyspieszają szybką reakcję 254 Anhydraza węglanowa zawiera związany jon cynku, kluczowy dla aktywności katalitycznej 255 Kataliza wymaga aktywacji wody przez cynk 256 Wahadło protonowe ułatwia szybką regenerację aktywnej formy enzymu 257 Ewolucja konwergentna: w róŝnych anhydrazach węglanowych powstały miejsca aktywne oparte na cynku Enzymy restrykcyjne przeprowadzają wysoce specyficzne reakcje rozcinania DNA 259 Rozcinanie polega na naprzeciwległym zastąpieniu tlenu 3' przy fosforze cząsteczką wody aktywowaną magnezem 260 Aktywność katalityczna enzymów restrykcyjnych wymaga obecności magnezu 262 Kompletny aparat katalityczny powstaje tylko w obrębie cząsteczek swoistego DNA, zapewniając specyficzność 263 Wspólną cechą enzymów restrykcyjnych typu II jest rdzeń katalityczny, a ich pokrewieństwo wynika prawdopodobnie z horyzontalnego transferu genów Kinazy monofosforanów nukleozydów katalizują reakcję wymiany grup fosforanowych bez udziału hydrolizy 267 Kinazy NMP naleŝą do rodziny enzymów zawierających pętlę P 267 Rzeczywistymi substratami zasadniczo wszystkich enzymów zaleŝnych od NTP są kompleksy magnezu (lub manganu) z tri fosforanami nukleozydów 268 Związanie ATP indukuje duŝe zmiany konformacyjne 269 Występujące w NTPazach domeny zawierające pętlę P są obecne w wielu waŝnych białkach 270 Rozdział 10 Strategie regulacyjne Karbamoilotransferaza asparaginianowa jest hamowana allosterycznie przez produkt końcowy swojego szlaku 276 Enzymy regulowane allosterycznie nie podlegają zasadom kinetyki Michaelisa-Menten 277 Karbamoilotransferaza asparaginianowa składa się z odrębnych podjednostek katalitycznych i regulatorowych 277 W oddziaływaniach allosterycznych w ATCazie pośredniczą duŝe zmiany struktury czwartorzędowej 278 Regulacje allosteryczne modulują stan równowagi między formami T i R Izozymy odpowiadają za regulację metabolizmu specyficzną dla róŝnych tkanek i stadiów rozwojowych Modyfikacja kowalencyjna to sposób regulacji aktywności enzymów 283 Fosforylacja jest bardzo skutecznym sposobem regulacji aktywności białek docelowych 284

8 Cykliczny AMP aktywuje kinazę białkową A, zmieniając jej strukturę czwartorzędową 287 Miejscem wiązania ATP i białka docelowego jest głęboka bruzda w podjednostce katalitycznej kinazy białkowej A Wiele enzymów jest aktywowane w drodze specyficznej proteolizy 288 Chymotrypsyna jest aktywowana przez specyficzną hydrolizę jednego wiązania peptydowego 289 Aktywacja proteolityczna chymotrypsynogenu prowadzi do powstania miejsca wiązania substratu 290 Powstanie trypsyny z trypsynogenu prowadzi do aktywacji innych zymogenów 291 Niektóre enzymy proteolityczne mają specyficzne inhibitory 291 Krzepnięcie krwi zachodzi dzięki kaskadzie aktywacji zymogenów 293 Trombina przekształca fibrynogen w skrzep fibrynowy 293 Protrombina jest podatna na aktywację dzięki modyfikacji zaleŝnej od witaminy K 295 Hemofilia przyczyniła się do poznania pierwszych etapów krzepnięcia krwi 296 Proces krzepnięcia krwi musi być precyzyjnie regulowany 297 Rozdział 11 Węglowodany Monosacharydy są aldehydami bądź ketonami z wieloma grupami hydroksylowymi 304 Pentozy i heksozy tworzą pierścienie furanozowe i piranozowe 306 Konformacja pierścieni piranozowych i furanozowych 308 Monosacharydy łączą się z alkoholami i aminami przez wiązania glikozydowe 309 Ufosforylowane cukry są kluczowymi intermediatami w procesach wytwarzania energii i biosyntezach Węglowodany złoŝone są zbudowane z monosacharydów 310 Sacharoza, laktoza i maltoza są powszechnie występującymi disacharydami 310 Glikogen i skrobia są łatwo uruchamianymi formami zapasowymi glukozy 311 Celuloza jest głównym polimerem strukturalnym roślin, złoŝonym z liniowych łańcuchów reszt glukozy 312 Glikozoaminoglikany są anionowymi łańcuchami polisacharydowymi utworzonymi przez powtarzające się jednostki dwucukrowe 312 Za syntezę oligosacharydów odpowiadają specyficzne enzymy Węglowodany mogą być przyłączone do białek, tworząc glikoproteiny 316 Węglowodany mogą być przyłączone do białek przez resztę asparaginy (wiązanie N-glikozydowe) lub reszty seryny czy treoniny (wiązanie O-glikozydowe) 316 Glikozylacja białek zachodzi w świetle retikulum endoplazma tycznego oraz aparatu Golgiego 317 Błędy w glikozylacji mogą prowadzić do stanów patologicznych 318 MoŜna oznaczyć sekwencję" oligosacharydów Lektyny są specyficznymi białkami wiąŝącymi węglowodany 320 Lektyny uczestniczą w oddziaływaniach między komórkami 320 Wirus grypy wiąŝe się do reszt kwasu sjalowego 321

9 Rozdział 12 Lipidy i błony biologiczne 326 Pomimo swej róŝnorodności błony biologiczne mają wiele cech wspólnych Kwasy tłuszczowe stanowią główne składniki lipidów błonowych 327 Nazwy kwasów tłuszczowych pochodzą od wyjściowych węglowodorów 327 Kwasy tłuszczowe róŝnią się długością łańcucha i stopniem nienasycenia W błonach biologicznych występują trzy powszechne typy lipidów 329 Fosfolipidy stanowią główną klasę lipidów błonowych 329 Lipidy błonowe mogą zawierać reszty cukrowe 331 Cholesterol jest lipidem zawierającym steroidowy rdzeń 331 Błony archeonów są zbudowane z eterowych lipidów z rozgałęzionymi łańcuchami 331 Lipidy błonowe są cząsteczkami amfipatycznymi zawierającymi reszty fydrofilowe i hydrofobowe Fosfolipidy i glikolipidy łatwo tworzą w środowisku wodnym warstwy bimolekularne (dwuwarstwy) 333 Pęcherzyki lipidowe (liposomy) mogą powstawać z fosfolipidów 334 Dwuwarstwy lipidowe są wysoce nieprzepuszczalne dla jonów i większości cząsteczek polarnych Większość procesów w błonach biologicznych zachodzi z udziałem białek 336 Białka błonowe są związane z dwuwarstwą lipidową w róŝny sposób 336 Białka w róŝny sposób oddziałują z błoną 336 Niektóre białka wiąŝą się z błoną poprzez kowalencyjnie przyłączone do nich grupy hydrofobowe 340 Obecność helis transbłonowych moŝna przewidzieć z duŝą dokładnością na podstawie sekwencji aminokwasów Lipidy i liczne białka błonowe przemieszczają się szybko wzdłuŝ płaszczyzny błony 342 Model płynnej mozaiki uwzględnia przemieszczanie się wzdłuŝ błony (ruch boczny), ale nie w poprzek (ruch poprzeczny) 343 Płynność błony jest kontrolowana przez skład jej kwasów tłuszczowych i przez zawartość cholesterolu 343 Wszystkie błony biologiczne są asymetryczne Komórki eukariotyczne zawierają przedziały komórkowe ograniczone błonami wewnątrzkomórkowymi 345 Rozdział 13 Kanały i pompy błonowe 351 Ekspresja białek transportujących w duŝej mierze określa metaboliczną aktywność danego typu komórek Transport cząsteczek przez błony moŝe być aktywny lub bierny 352 Wiele cząsteczek do przejścia przez błonę potrzebuje białkowych transporterów 352 Energię swobodną gradientu stęŝeń moŝna określić ilościowo Dwie rodziny białek błonowych wykorzystują energię hydrolizy ATP do pompowania jonów przez błony 354 ATPazy typu P sprzęgają fosforylację ze zmianami konformacyjnymi do pompowania jonów wapnia przez błonę 354 Ekstrakt z naparstnicy hamuje specyficznie pompę Na + -K + poprzez blokowanie jej defosforylacji 357

10 ATPazy typu P są konserwatywne ewolucyjnie i pełnią szereg róŝnych funkcji 358 Oporność wielolekowa i mukowiscydoza rzucają światło na rodzinę białek błonowych mających kasetę wiąŝącą ATP Permeaza laktozowa jest archetypem transporterów drugiego rzędu wykorzystujących jeden gradient stęŝeń do tworzenia innego gradientu Specyficzne kanały mogą szybko transportować jony przez błony 362 Przejściowe zmiany przepuszczalności Na + i K + są podstawą potencjału czynnościowego 362 Pomiary przewodnictwa metodą patch-clamp ujawniają aktywność pojedynczych kanałów 363 Budowa kanału potasowego jest archetypem budowy wielu kanałów jonowych 364 Budowa przestrzenna kanału potasowego wyjaśnia przyczyny specyficzności jonowej 365 Budowa kanału potasowego tłumaczy jego duŝą szybkość transportu 367 Bramkowanie potencjałem wymaga znacznych zmian konformacyjnych w określonych domenach kanału jonowego 368 Inaktywacja kanału zachodzi przez zamknięcie poru: model kuli na łańcuchu 369 Receptor acetylocholinowy jest archetypem bramkowanych ligandem kanałów jonowych 370 Potencjał czynnościowy integruje aktywność wielu współpracujących kanałów jonowych Połączenia szczelinowe umoŝliwiają przepływ jonów i małych cząsteczek między komunikującymi się komórkami Specyficzne kanały zwiększają przepuszczalność niektórych błon dla cząsteczek wody 374 Rozdział 14 Szlaki przekazywania sygnałów 381 Przekazywanie sygnałów zaleŝy od obwodów cząsteczkowych Heterotrimeryczne białka G przekazują sygnały i same się regenerują 383 Wiązanie ligandów z receptorami 7TM prowadzi do aktywacji białek G 384 Aktywne białka G przekazują sygnały, wiąŝąc się z innymi białkami 385 Cykliczny AMP (camp) stymuluje fosforylację wielu białek docelowych w wyniku aktywacji kinazy białkowej A 386 Białka G wyłączają swą aktywność w wyniku hydrolizy GTP 387 Niektóre receptory 7TM aktywują kaskadę fosfatydyloinozytolu 388 Jon wapnia jest powszechną cytoplazmatyczną cząsteczką sygnałową drugiego rzędu 389 Wapń aktywuje kalmodulinę, białko regulatorowe Szlak sygnalizacji insuliny: kaskada fosforylacji jest kluczowa dla wielu procesów przekazywania sygnałów 391 Receptor insulinowy jest dimerem, który ściśle otacza związaną cząsteczkę insuliny 392 Wiązanie insuliny powoduje wzajemną, wewnętrzną fosforylację i aktywację receptora insulinowego 392 Zaktywowana receptorowa kinaza insulinowa rozpoczyna kaskadę

11 aktywacji kinaz 393 Szlak sygnalizacji insuliny jest przerywany przez działanie fosfataz Sygnalizacja EGF: szlaki przekazywania sygnałów są przygotowane do odpowiedzi 395 Pod wpływem związania EGF receptor EGF dimeryzuje 396 Karboksylowy koniec receptora EGF ulega fosforylacji 397 Sygnalizacja EGF prowadzi do aktywacji białek Ras, czyli małych białek G 397 Zaktywowane białka Ras inicjują kaskadę kinaz białkowych 398 Białkowe fosfatazy i wewnętrzna aktywność GTPazowa białek Ras wyłączają sygnalizację EGF Wiele elementów sygnalizacyjnych powtarza się w róŝnych szlakach przekazywania sygnału Zaburzenia w działaniu szlaków sygnalizacyjnych mogą prowadzić do raka i innych schorzeń 400 Przeciwciała monoklonalne mogą być wykorzystane do zahamowania szlaków przekazywania sygnałów aktywnych w komórkach nowotworowych 401 Inhibitory kinaz białkowych mogą być skutecznymi lekami przeciwnowotworowymi 401 Cholera i krztusiec są spowodowane zmianą aktywności białka G 402 Część II PRZEKAZYWANIE I MAGAZYNOWANIE ENERGII Rozdział 15 Metabolizm: podstawowe pojęcia i organizacja Metabolizm składa się z wielu sprzęŝonych, wzajemnie powiązanych reakcji 410 Metabolizm składa się z reakcji egzo- i endoergicznych 410 Reakcja termodynamicznie korzystna umoŝliwia przebieg reakcji termodynamicznie niekorzystnej Uniwersalnym środkiem wymiany energii swobodnej w układach biologicznych jest ATP 412 Hydroliza ATP jest procesem egzoergicznym 412 Hydroliza ATP przesuwa równowagę reakcji sprzęŝonych 413 Podstawy strukturalne wysokiego potencjału przenoszenia grup fosforanowych przez ATP 415 Potencjał fosforylacyjny jest waŝną formą energii w komórkowych procesach przekształcania energii Utlenianie atomów węgla cząsteczek paliwa komórkowego jest waŝnym źródłem energii w komórce 417 Związki o wysokim potencjale fosforylacyjnym mogą sprzęgać utlenianie atomów węgla z syntezą ATP 418 Gradient jonowy w poprzek błony dostarcza komórce waŝnej formy energii, poniewaŝ moŝe być sprzęŝony z syntezą ATP 418 Etapy pobierania energii z poŝywienia Te same metabolity, reakcje i strategie regulacyjne obserwujemy w róŝnych szlakach metabolicznych 420 Aktywowane przenośniki są przykładem budowy modułowej I ekonomiczności metabolizmu 420 Wiele zaktywowanych nośników jest pochodnymi witamin 423

12 Te same kluczowe reakcje powtarzają się w róŝnych szlakach metabolicznych 425 Procesy metaboliczne są regulowane na trzy róŝne sposoby 428 Ewolucja szlaków metabolicznych 429 Rozdział 16 Glikoliza i glukoneogeneza 433 Glukoza jest wytwarzana z węglowodanów zawartych w pokarmie 434 Glukoza jest waŝnym paliwem komórkowym dla większości organizmów W wielu organizmach glikoliza jest szlakiem przekształcającym energię 435 Heksokinaza wychwytuje glukozę w komórce i rozpoczyna glikolizę 435 Powstawanie fruktozo-1,6-bisfosforanu z glukozo-6-fosforanu 437 Sześciowęglowy cukier jest rozszczepiany do dwóch trójwęglowych fragmentów 438 Mechanizm: izomeraza triozofosforanowa odzyskuje fragmenty trójwęglowe 439 Utlenienie aldehydu do kwasu napędza powstawanie związku o wysokim potencjale przenoszenia grup fosforanowych 440 Mechanizm: fosforylacja jest ściśle powiązana poprzez tioestrowy produkt pośredni z utlenianiem aldehydu 3-fosfoglicerynowego 442 ATP powstaje poprzez przeniesienie fosforanu z 1,3-bisfosfoglicerynianu 443 Powstawanie pirogronianu i dodatkowej cząsteczki ATP 444 Podczas przekształcenia glukozy w pirogronian powstają dwie cząsteczki ATP 446 Metabolizm pirogronianu prowadzi do regeneracji NAD W warunkach beztlenowych fermentacja dostarcza energii, którą moŝna spoŝytkować w innych procesach komórkowych 448 Miejsce wiąŝące NAD + jest podobne w wielu dehydrogenazach 448 Fruktoza i galaktoza są przekształcane w produkty pośrednie glikolizy 449 Wiele osób dorosłych nie toleruje mleka, poniewaŝ nie ma laktazy 451 Gdy brak transferazy, galaktoza jest silnie toksyczna Szlak glikolityczny jest ściśle kontrolowany 452 Przebieg glikolizy w mięśniu podlega regulacji w odpowiedzi na zapotrzebowanie na ATP 452 Regulacja przebiegu glikolizy w wątrobie odzwierciedla jej biochemiczną wszechstronność 455 Rodzina białek przenośników umoŝliwia glukozie wejście do komórek zwierzęcych oraz wyjście z nich 456 Rak i trening fizyczny wpływają w podobny sposób na glikolizę Glukoza moŝe być syntetyzowana z prekursorów innych niŝ węglowodany 458 Glukoneogeneza nie jest odwróceniem glikolizy 460 Przekształcenie pirogronianu w fosfoenolopirogronian rozpoczyna się od utworzenia szczawiooctanu 461 Szczawiooctan przechodzi do cytoplazmy, gdzie przekształca się w fosfoenolopirogronian 462 Przekształcenie fruktozo-1,6-bisfosforanu w fruktozo-6-fosforan i ortofosforan jest etapem nieodwracalnym 463 Wytwarzanie wolnej glukozy jest waŝnym punktem kontroli 463

13 Synteza glukozy z pirogronianu zachodzi kosztem sześciu grup fosforanowych o wysokim potencjale przenoszenia Glukoneogeneza i glikoliza podlegają przeciwstawnej regulacji 464 Ładunek energetyczny komórki rozstrzyga, który szlak będzie najbardziej aktywny: glikoliza czy glukoneogeneza 465 W wątrobie równowaga pomiędzy glikolizą a glukoneogenezą jest wraŝliwa na stęŝenie glukozy we krwi 466 Cykle substratowe wzmacniają sygnały metaboliczne i wytwarzają ciepło 467 Mleczan i alanina, utworzone podczas skurczu mięśnia, są zuŝywane przez inne narządy 468 Glikoliza i glukoneogeneza są ze sobą powiązane ewolucyjnie 469 Rozdział 17 Cykl kwasu cytrynowego 475 Cykl kwasu cytrynowego odbiera wysokoenergetyczne elektrony Dehydrogenaza pirogronianowa łączy glikozę z cyklem kwasu cytrynowego 477 Mechanizm: synteza acetylo-coa z pirogronianu wymaga trzech enzymów i pięciu koenzymów 478 Elastyczne połączenia umoŝliwiają cząsteczce lipoamidu poruszanie się między róŝnymi miejscami aktywnymi Cykl kwasu cytrynowego utlenia jednostki dwuwęglowe 482 Syntaza cytrynianowa tworzy cytrynian ze szczawiooctanu i acetylokoenzymu A 482 Mechanizm: Sposób działania syntazy cytrynianowej zapobiega niepoŝądanym reakcjom 482 Cytrynian ulega izomeryzacji do izocytrynianu 484 Izocytrynian jest utleniany i dekarboksylowany do α-ketoglutaranu 484 Oksydacyjna dekarboksylacja α-ketoglutaranu prowadzi do powstania bursztynylokoenzymu A 485 Kosztem bursztynylokoenzymu A powstaje związek o wysokim potencjale przenoszenia grupy fosforanowej 485 Mechanizm: syntetaza bursztynylo-coa zmienia formy magazynowania energii 486 Szczawiooctan jest regenerowany przez utlenianie bursztynianu 487 Cykl kwasu cytrynowego generuje elektrony o wysokim potencjale przeniesienia, GTP і CO Zarówno wejście do cyklu kwasu cytrynowego, jak i jego przebieg podlega kontroli 490 Aktywność dehydrogenazy pirogronianowej jest regulowana allosterycznie i przez odwracalną fosforylację 490 Regulacja cyklu kwasu cytrynowego odbywa się w kilku punktach kontrolnych Cykl kwasu cytrynowego jest źródłem prekursorów potrzebnych do biosyntez 493 Cykl kwasu cytrynowego musi być szybko uzupełniany 493 Zakłócenie metabolizmu pirogronianu jest przyczyną beri-beri, a takŝe zatrucia rtęcią oraz arsenem 494 Cykl kwasu cytrynowego prawdopodobnie ewoluował z pierwotnie istniejących szlaków metabolicznych 495

14 17.5 Cykl glioksalowy umoŝliwia roślinom i bakteriom wzrost na octanie 495 Rozdział 18 Fosforylacja oksydacyjna 502 Fosforylacja oksydacyjna sprzęga utlenianie paliwa komórkowego z syntezą ATP poprzez gradient protonowy W komórkach eukariotycznych fosforylacja oksydacyjna zachodzi w mitochondriach 503 Mitochondria są otoczone podwójną błoną 503 Mitochondria powstały w wyniku endosymbiozy Fosforylacja oksydacyjna zaleŝy od transportu elektronów 506 Miarą potencjału przenoszenia elektronów jest potencjał redoks 506 Transport elektronów przez łańcuch oddechowy, napędzany przez róŝnicę potencjałów między NADH i cząsteczką tlenu wynoszącą 1,14 V, wymusza tworzenie gradientu protonowego W skład łańcucha oddechowego wchodzą cztery kompleksy: trzy pompy protonowe i kompleks fizycznie związany z cyklem kwasu cytrynowego 509 Elektrony o wysokim potencjale wchodzą do łańcucha oddechowego na poziomie oksydoreduktazy NADH-Q 510 Ubichinol jest miejscem, w którym do łańcucha oddechowego włączane są elektrony FADH 2 flawoprotein 512 Elektrony przepływają z ubichinolu do cytochromu с przez oksydoreduktazę Q-cytochrom с 512 Cykl Q przekazuje elektrony z nośnika dwuelektronowego do nośnika jednoelektronowego i pompuje protony 513 Oksydaza cytochromu с katalizuje redukcję tlenu cząsteczkowego do wody 514 Enzymy ochronne usuwają toksyczne pochodne tlenu cząsteczkowego, takie jak rodnik ponadtlenkowy 517 Elektrony mogą być przenoszone pomiędzy grupami nie kontaktującymi się 519 Konformacja cytochromu с pozostała zasadniczo niezmieniona od ponad miliarda lat Gradient protonowy zasila syntezę ATP 520 Syntaza ATP składa się z segmentu przewodzącego protony i segmentu katalitycznego 522 Przepływ protonów przez syntazę ATP powoduje uwolnienie ściśle związanego ATP: mechanizm zmiany siły związania 523 Najmniejszy na świecie molekularny motor: kataliza stymulowana przez obrót 524 Przepływ protonów wokół pierścienia с stanowi siłę napędową syntezy ATP 525 Syntaza ATP i białka G mają kilka wspólnych cech Przemieszczanie się przez błonę umoŝliwiają liczne systemy wahadłowe (czółenka) 527 Elektrony z cytozolowego NADH wchodzą do mitochondriów za pośrednictwem systemów wahadłowych 527 Wejście ADP do mitochondriów jest sprzęŝone z wyjściem ATP przez translokazę ATP-ADP 529 Mitochondrialne przenośniki metabolitów mają wspólny trzyczęściowy motyw 530

15 18.6 Zapotrzebowanie na ATP jest głównym czynnikiem regulującym oddychanie komórkowe 530 Całkowite utlenianie glukozy dostarcza około 30 cząsteczek ATP 530 O szybkości fosforylacji oksydacyjnej decyduje zapotrzebowanie na ATP 532 Regulowane rozprzęŝenie powoduje wytwarzanie ciepła 532 Fosforylację oksydacyjną moŝna hamować na wielu etapach 533 Poznajemy podłoŝe chorób związanych z nieprawidłowym działaniem mitochondriów 534 Mitochondria odgrywają kluczową rolę w procesie apoptozy 535 Przekazywanie energii przez gradienty protonowe: główny motyw bioenergetyki 535 Rozdział 19 Reakcje świetlne fotosyntezy 541 W fotosyntezie następuje przekształcenie energii świetlnej w energię chemiczną Fotosynteza odbywa się w chloroplastach 542 Pierwotne reakcje fotosyntezy przebiegają w błonach tylakoidów 543 Chloroplasty powstały w wyniku endosymbiozy Absorpcja światła przez chlorofil powoduje przepływ elektronów 544 Specjalna para cząsteczek chlorofilu zapoczątkowuje rozdział ładunków 545 Cykliczny przepływ elektronów powoduje redukcję cytochromu w centrum reakcji Podczas fazy świetlnej dwa fotosystemy wytwarzają gradient protonów i NADPH 548 Fotosystem II przenosi elektrony z wody do plastochinonu i wytwarza gradient protonów 548 Cytochrom bf łączy fotosystem II z fotosystemem I 551 Fotosystem I wykorzystuje energię świetlną do wytworzenia zredukowanej ferredoksyny, która jest silnym reduktorem 551 Reduktaza ferredoksyna-nadp + przekształca NADP + w NADPH Gradient protonów tworzący się w poprzek błony tylakoidu napędza syntezę ATP 553 Chloroplastowa syntaza ATP jest bardzo podobna do mitochondrialnych i prokariotycznych syntaz ATP 554 Cykliczny przepływ elektronów przez fotosystem I prowadzi do wytworzenia ATP zamiast NADPH 555 Absorpcja ośmiu fotonów powoduje powstanie jednej cząsteczki O 2, dwóch cząsteczek NADPH i trzech cząsteczek ATP Barwniki pomocnicze kierują energię do centrów reakcji 557 Przeniesienie energii rezonansu pozwala przekazać energię z pierwotnego miejsca absorpcji do centrum reakcji 557 Kompleksy zbierające światło zawierają dodatkowe cząsteczki chlorofilu i karotenoidy 558 Komponenty uczestniczące w fotosyntezie wykazują wysoki poziom organizacji 559 Wiele herbicydów hamuje reakcje świetlne fotosyntezy Zdolność do przekształcania światła w energię chemiczną jest zjawiskiem bardzo starym 560

16 Rozdział 20 Cykl Calvina i szlak pentozo- fosforanowy W cyklu Calvina heksozy są syntetyzowane z dwutlenku węgla i wody 566 Dwutlenek węgla reaguje z rybulozo-1,5-bisfosforanem i powstają dwie cząsteczki 3-fosfoglicerynianu 567 Aktywność rubisco zaleŝy od jonów magnezu i karbaminianu 568 Katalityczna niedoskonałość: rubisco katalizuje równieŝ niekorzystną reakcję przyłączenia cząsteczki tlenu 569 Z fosfoglicerynianu powstają fosforany heksoz i jest regenerowany rybulozo-1,5-bisfosforan 570 W procesie włączania dwutlenku węgla do heksoz zuŝywane są trzy cząsteczki ATP i dwie cząsteczki NADPH 572 Skrobia i sacharoza są głównymi węglowodanami magazynowanymi w roślinach Aktywność cyklu Calvina zaleŝy od warunków środowiska 574 Zmiany stęŝeń protonów i jonów magnezu zaleŝne od światła aktywują rubisco 574 Tioredoksyna odgrywa kluczową rolę w regulacji cyklu Calvina 574 Szlak C4 występujący u roślin tropikalnych przyspiesza fotosyntezę przez gromadzenie dwutlenku węgla 575 Metabolizm kwasowy roślin gruboszowatych umoŝliwia im wzrost w ekosystemach o ograniczonym dostępie wody Szlak pentozofosforanowy prowadzi do powstania NADPH i odpowiada za syntezę cukrów pięciowęglowych 577 Podczas przekształcenia glukozo-6-fosforanu w rybulozo-5-fosforan powstają dwie cząsteczki NADPH 577 Szlak pentozofosforanowy i glikoliza są ze sobą połączone za pośrednictwem transketolazy i transaldolazy 579 Mechanizm: Transketolaza i transaldolaza w róŝny sposób stabilizują karboanionowe produkty pośrednie Metabolizm glukozo-6-fosforanu jest powiązany z glikolizą przez szlak pentozofosforanowy 583 Szybkość przemian szlaku pentozofosforanowego jest regulowana przez stęŝenie NADP Przepływ glukozo-6-fosforanu zaleŝy od zapotrzebowania na NADPH, rybozo-5-fosforan i ATP 583 Odbicie lustrzane: cykl Calvina i szlak pentozofosforanowy Dehydrogenaza glukozo-6-fosforanu odgrywa istotną rolę w ochronie komórki przed szkodliwym działaniem reaktywnych form tlenu 586 Niedobór dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej powoduje anemię hemolityczną indukowaną przez leki 586 Niedobór dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej moŝe w pewnych sytuacjach decydować o przewadze ewolucyjnej 587 Rozdział 21 Metabolizm glikogenu 592 Metabolizm glikogenu to regulacja uwalniania i gromadzenia glukozy Rozkład glikogenu wymaga wspólnego działania kilku enzymów 593 Fosforylaza katalizuje fosforolityczny rozkład glikogenu i uwolnienie glukozo-1-fosforanu 594 Do rozkładu glikogenu konieczny jest równieŝ enzym usuwający

17 rozgałęzienia 594 Fosfoglukomutaza przekształca glukozo-1-fosforan w glukozo-6-fosforan 595 Wątroba zawiera glukozo-6-fosfatazę, enzym hydrolityczny, który nie występuje w mięśniach 596 Mechanizm: Fosforan pirydoksalu bierze udział w fosforolitycznym rozkładzie glikogenu Aktywność fosforylazy regulują oddziaływania allosteryczne i odwracalna fosforylacja 598 Fosforylaza w mięśniach jest regulowana przez wewnątrzkomórkowy ładunek energetyczny 598 W wątrobie fosforylaza wytwarza glukozę wykorzystywaną przez inne tkanki 600 Kinaza fosforylazowa jest aktywowana przez fosforylację i jony wapnia Do rozkładu glikogenu potrzebne są sygnały adrenaliny i glukagonu 601 Białko G przekazuje sygnał do rozpoczęcia rozkładu glikogenu 601 W razie konieczności rozpad glikogenu musi być szybko zahamowany 603 Regulacja fosforylazy glikogenowej stała się w trakcie ewolucji bardziej wyrafinowana Synteza i degradacja glikogenu przebiegają odrębnymi szlakami 604 UDP-glukoza jest aktywowaną formą glukozy 604 Syntaza glikogenowa katalizuje przeniesienie glukozy z UDP-glukozy do rosnącego łańcucha glikogenu 605 Enzym rozgałęziający tworzy wiązania α-1,6-glikozydowe 606 Syntaza glikogenową jest głównym enzymem regulacyjnym w syntezie glikogenu 607 Glikogen jest wydajną formą magazynowania glukozy Rozkład i synteza glikogenu są regulowane wspólnie 607 Fosfataza białkowa 1 odwraca regulacyjny wpływ kinaz na metabolizm glikogenu 608 Insulina stymuluje syntezę glikogenu poprzez aktywację kinazy syntazy glikogenu 610 Metabolizm glikogenu w wątrobie reguluje poziom glukozy we krwi 610 Choroby związane z metabolizmem glikogenu moŝna wyjaśnić biochemicznie 611 Rozdział 22 Metabolizm kwasów tłuszczowych 617 Rozkład i biosynteza kwasów tłuszczowych są swoim odzwierciedleniem pod względem następujących po sobie reakcji chemicznych Triacyloglicerole są skondensowanym źródłem energii 619 Lipidy pochodzące z poŝywienia są trawione przez lipazy trzustkowe 619 Lipidy pochodzące z poŝywienia są transportowane w chylomikronach Wykorzystanie energii kwasów tłuszczowych wymaga ich obróbki w trzech etapach 621 Triacyloglicerole są hydrolizowane przez lipazy aktywowane hormonami 621 Przed utlenieniem, kwasy tłuszczowe są przyłączane do koenzymu A 622 Karnityna przenosi długie łańcuchy aktywowanych kwasów tłuszczowych do matriks mitochondrialnej 623 Acetylo-CoA, NADH i FADH 2 powstają w kaŝdym cyklu utleniania kwasów tłuszczowych 624

18 W wyniku całkowitego utlenienia palmitynianu powstaje 106 cząsteczek ATP Proces rozkładu kwasów tłuszczowych nienasyconych lub mających nieparzystą liczbę atomów węgla wymaga dodatkowych etapów 626 Do utleniania nienasyconych kwasów tłuszczowych potrzebne są izomeraza i reduktaza 626 Produktem ostatecznej tiolizy łańcuchów kwasów tłuszczowych o nieparzystej liczbie atomów węgla jest propionylo-coa 627 Witamina B 12 zawiera pierścień korynowy i atom kobaltu 628 Mechanizm: mutaza metylomalonylo-coa katalizuje przegrupowanie prowadzące do powstania bursztynylo-coa 629 Kwasy tłuszczowe są utleniane takŝe w peroksysomach 630 Kiedy w komórce przewaŝa rozkład tłuszczów, z acetylo-co powstają ciała ketonowe 631 W niektórych tkankach głównym paliwem komórkowym są ciała ketonowe 632 Zwierzęta nie mogą przekształcać kwasów tłuszczowych w glukozę RóŜne szlaki metaboliczne prowadzą do rozkładu i biosyntezy kwasów tłuszczowych 634 Synteza malonylo-coa jest decydującym etapem biosyntezy kwasów tłuszczowych 635 Produkty pośrednie syntezy kwasów tłuszczowych są przyłączone do białkowego nośnika reszt acylowych 635 Biosynteza kwasów tłuszczowych jest serią reakcji kondensacji, redukcji, odwodnienia i redukcji 636 U zwierząt kwasy tłuszczowe są syntetyzowane przez wielofunkcyjny kompleks enzymatyczny 637 Synteza palmitynianu wymaga 8 cząsteczek acetylo-coa, 14 cząsteczek NADPH i 7 cząsteczek ATP 638 Cytrynian przenosi grupy octanowe niezbędne do syntezy kwasów tłuszczowych z mitochondriów do cytozolu 638 RóŜne źródła NADPH do syntezy kwasów tłuszczowych 639 Inhibitory syntezy kwasów tłuszczowych mogą być uŝytecznymi lekami Karboksylaza acetylo-coa odgrywa kluczową rolę w regulacji metabolizmu kwasów tłuszczowych 640 Karboksylaza acetylo-coa jest regulowana stanem komórki 640 Karboksylaza acetylo-coa jest regulowana przez róŝne hormony WydłuŜanie kwasów tłuszczowych i wprowadzanie wiązań nienasyconych to procesy kierowane przez dodatkowe układy enzymatyczne 642 Nienasycone kwasy tłuszczowe powstają z udziałem enzymów związanych z błonami 642 Hormony ikozanoidowe są pochodnymi wielonienasyconych kwasów tłuszczowych 643 Rozdział 23 Przemiana białek i katabolizm aminokwasów Białka są degradowane do aminokwasów 650 Rozkład spoŝywanych białek i wchłanianie produktów trawienia białek 650 Białka komórkowe ulegają degradacji z róŝną szybkością 651

19 23.2 Rozpad białek jest ściśle regulowany 651 Ubikwityna piętnuje białka przeznaczone do degradacji 651 Białka piętnowane ubikwityną są rozkładane przez proteasom 653 Rozkład białek moŝe być wykorzystywany w regulacji funkcji biologicznych 654 Szlak ubikwitynacji i proteasom mają odpowiedniki w organizmach prokariotycznych Pierwszym etapem degradacji aminokwasów jest usunięcie azotu 656 Grupy a-aminowe są przekształcane w jony amonowe w procesie deaminacji oksydacyjnej glutaminianu 656 Mechanizm: Fosforan pirydoksalu tworzy w aminotransferazach związek pośredni o charakterze zasady Schiffa 657 Aminotransferaza asparaginianowa jest archetypem transaminazy zaleŝnej od pirydoksalu 659 Enzymy zaleŝne od fosforanu pirydoksalu katalizują szeroki wachlarz reakcji 659 Seryna i treonina ulegają bezpośredniej deaminacji 660 Azot z tkanek obwodowych jest transportowany do wątroby Większość kręgowców lądowych przekształca jon amonowy w mocznik 661 Cykl mocznikowy rozpoczyna się od powstania karbamoilofosforanu 661 Cykl mocznikowy jest powiązany z glukoneogenezą 663 Enzymy cyklu mocznikowego są spokrewnione z enzymami innych szlaków metabolicznych 664 Wrodzone wady enzymów cyklu mocznikowego powodują hiperamonemię i mogą prowadzić do uszkodzenia mózgu 665 Mocznik nie jest jedynym sposobem usuwania nadmiaru azotu Atomy węgla pochodzące z degradowanych aminokwasów pojawiają się w głównych intermediatach metabolicznych 666 Pirogronian jako związek łączący degradację aminokwasów z metabolizmem komórki 667 Szczawiooctan jako związek łączący degradację asparaginianu i asparaginy z metabolizmem komórki 668 Alfa-ketoglutaran jako związek łączący degradację aminokwasów pięciowęglowych z metabolizmem komórki 668 Bursztynylo-CoA łączy degradację kilku aminokwasów niepolarnych z metabolizmem komórki 669 Degradacja metioniny wymaga tworzenia S-adenozylometioniny - kluczowego donora grupy metylowej 669 Rozkład aminokwasów rozgałęzionych prowadzi do powstania acetylo-coa, acetooctanu i propionylo-coa 670 Do rozkładu aminokwasów aromatycznych konieczne są oksygenazy Wrodzone wady metaboliczne mogą zakłócać proces degradacji aminokwasów 673 Część III SYNTEZA CZĄSTECZEK śycia Rozdział 24 Biosynteza aminokwasów 681 Synteza aminokwasów wymaga rozwiązania trzech podstawowych

20 problemów biochemicznych Wiązanie azotu: Mikroorganizmy wykorzystują ATP i silne reduktory, aby zredukować azot atmosferyczny do postaci amonowej 682 Kofaktor Ŝelazo-molibdenowy nitrogenazy wiąŝe i redukuje azot atmosferyczny 683 Wbudowanie jonu amonowego do aminokwasów rozpoczyna się od glutaminianu i glutaminy Aminokwasy powstają z intermediatów cyklu kwasu cytrynowego i innych głównych szlaków metabolicznych 687 Organizm ludzki syntetyzuje niektóre aminokwasy, lecz pozostałe musi uzyskać wraz z poŝywieniem 687 Asparaginian, alanina i glutaminian powstają przez dodanie grupy aminowej do α-ketokwasów 688 Wspólny etap określa chiralność wszystkich aminokwasów 688 Adenylowany związek pośredni jest konieczny do powstania asparaginy z asparaginianu 689 Glutaminian jest prekursorem glutaminy, proliny i argininy 690 Seryna, cysteina i glicyna powstają z 3-fosfoglicerynianu 690 Tetrahydrofolian przenosi aktywowane fragmenty jednowęglowe o kilku poziomach utlenienia 691 S-adenozylometionina jest głównym donorem grup metylowych 693 Cysteina jest syntetyzowana z seryny i homocysteiny 695 Wysoki poziom homocysteiny towarzyszy chorobom naczyniowym 695 Szikimian i choryzmian są związkami pośrednimi uczestniczącymi w biosyntezie aminokwasów aromatycznych 695 Syntaza tryptofanowa ilustruje przenoszenie tunelowe substratu podczas katalizy enzymatycznej Biosynteza aminokwasów regulowana jest na drodze hamowania przez sprzęŝenie zwrotne 699 Rozgałęzione szlaki metaboliczne wymagają złoŝonych mechanizmów regulacji 699 Aktywność syntetazy glutaminowej jest modulowana przez kaskadę enzymatyczną Aminokwasy są prekursorami wielu cząsteczek biologicznych 702 Glutation, peptyd γ-glutamylowy, pełni funkcję buforu tiolowego, a takŝe przeciwutleniacza 703 Tlenek azotu, cząsteczka sygnałowa o krótkim czasie półtrwania, powstaje z argininy 704 Porfiryny syntetyzowane są z glicyny i bursztynylo-coa 704 Niektóre wrodzone zaburzenia metabolizmu prowadzą do akumulacji porfiryn 706 Rozdział 25 Biosynteza nukleotydów 711 Nukleotydy mogą być syntetyzowane de novo lub w ramach szlaków rezerwowych Podczas syntezy de novo pierścień pirymidynowy jest budowany z wodorowęglanu, asparaginianu i glutaminy 712 Wodorowęglany i inne utlenione związki węglowe aktywowane są przez fosforylację 713

21 Hydroliza łańcucha bocznego glutaminy jest źródłem jonów amonowych 713 Przenoszenie tunelowe umoŝliwia transport produktów pośrednich pomiędzy centrami aktywnymi enzymu 714 Orotan po połączeniu z pierścieniem rybozy PRPP tworzy nukleotyd pirymidynowy, który następnie zostaje przekształcony w urydylan 714 Nukleotydy mono-, di-, trifosforanowe mogą ulegać wzajemnym przekształceniom 715 CTP powstaje przez aminację UTP Zasady purynowe moga być syntetyzowane zarówno de novo, jak i w szlakach rezerwowych 716 Szlak rezerwowy syntezy nukleotydów umoŝliwia znaczną ekonomizację zuŝycia energii 716 Pierścienie purynowe są budowane na rybozylofosforanie 716 Pierścień purynowy budowany jest etapami, podczas których aktywacja przez fosforylację poprzedza wymianę elementów budulcowych 717 AMP i GMP powstają z IMP Synteza deoksyrybonukleotydów odbywa się w wyniku redukcji rybonukleotydów z wykorzystaniem mechanizmu rodnikowego 720 Mechanizm: rodnik tyrozylowy ma zasadnicze znaczenie dla aktywności reduktazy rybonukleotydowej 720 Metylacja deoksyurydylanu prowadzi do powstania deoksytymidylanu 722 Reduktaza dihydrofolianowa katalizuje regenerację tetrahydrofolianu, przenośnika grup jednowęglowych 723 Wiele cennych leków stosowanych w terapii przeciwnowotworowej blokuje syntezę deoksytymidylanu Regulacja kluczowych etapów biosyntezy nukleotydów odbywa się na zasadzie hamowania w drodze sprzęŝenia zwrotnego 725 Biosynteza pirymidyn jest regulowana przez karbamoilotransferazę asparginianową 725 Synteza nukleotydów purynowych kontrolowana jest w wyniku sprzęŝenia zwrotnego w kilku miejscach 725 Synteza deoksyrybonukleotydów jest kontrolowana poprzez regulację aktywności reduktazy rybonukleotydowej Zaburzenia metabolizmu nukleotydów są przyczyną róŝnych chorób 727 Utrata aktywności deaminazy adenozynowej prowadzi do cięŝkiego złoŝonego niedoboru immunologicznego 727 Dna moczanowa powstaje w wyniku wysokiego poziomu moczanu w surowicy 728 Mutacje w genach enzymów, zaangaŝowanych w syntezę nukleotydów na drodze szlaku rezerwowego, są przyczyną występowania zespołu Lescha-Nyhana 728 Niedobór kwasu foliowego wywołuje wadę wrodzoną - rozszczep kręgosłupa 729 Rozdział 26 Biosynteza lipidów błonowych i steroidów Kwas fosfatydowy jest wykorzystywany do syntezy fosfolipidów i triacylogliceroli 735 Synteza fosfolipidów wymaga aktywowanego produktu pośredniego 736 Sfingolipidy są syntetyzowane z ceramidu 738