Joanna Bereta, Aleksander Ko j Zarys biochemii. Seria Wydawnicza Wydziału Bio chemii, Biofizyki i Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego

Transkrypt

1 Joanna Bereta, Aleksander Ko j Zarys biochemii Seria Wydawnicza Wydziału Bio chemii, Biofizyki i Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego Copyright by Wydział Bio chemii, Biofizyki i Biotechnologii UJ Kraków 2009 Wydano przy wsp ółpracy Wydawnictwa EJB ISBN Recenzenci: prof. dr hab. Jadwiga Bryła prof. dr hab. Piotr Laid ler Korekta: Zespół Skład i łamanie: Janusz Bielec L A TEX Pro jekt okładki: EJB Na okładce wykorzystano komputerowo przetworzony obraz ekspresji genów Saccharomyces cerevisiae uzyskany meto dą mikromacierzy. Rysunki w tekście: autorzy Przygotowanie i druk skryptu finansowano ze śro dków Wydziału Bio chemii, Biofizyki i Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego Wydanie pierwsze Drukarnia Patria, Kraków

2 Spis treści I Białka i enzymy 13 1 Aminokwasy i struktura białek Własnościaminokwasów Organizacjaprzestrzennapolipeptydów Badaniabiałek Klasyfikacjabiałek Denaturacjabiałekinieprawidłowekonformacjebiałek Hemoglobina białko modelowe Strukturabiałekwiążącychtlen Podjednostkowabudowahemoglobiny Krzywedysocjacjitlenudlamioglobinyihemoglobiny Własnościallosterycznehemoglobiny OdmianystrukturalneHbihemoglobinopatie Enzymy katalizatory białkowe Krótkahistoriaenzymologii Enzymyirybozymy Zasadypostępowaniazenzymami Aktywnośćenzymuistosowanejednostki Zasadyimetodypomiaruszybkościreakcjienzymatycznej Zasadyoznaczaniaaktywnościenzymów Metody pomiaru szybkości reakcji enzymatycznych Przeciwciaładlaenzymóworazichzastosowanie WykrywaniebiałektechnikąWesternblotting Pomiar ilości wybranego białka metodą radialnej immunodyfuzji Pomiar ilości wybranego białka metodą immunoelektroforezy Oznaczanie ilości wybranego białka techniką ELISA Wpływ wiązania białka enzymu z przeciwciałem na aktywnośćkatalityczną Katalityczneprzeciwciałaczyliabzymy Kinetyka i termodynamika reakcji enzymatycznych Wpływstężeniaenzymunaszybkośćreakcji Wpływstężeniasubstratu,stałaMichaelisa PraktycznewyznaczaniewartościKm Kinetykaenzymówdziałającychnagranicyfaz WpływpHnareakcjeenzymatyczne Wpływtemperaturynareakcjeenzymatyczne Termodynamikareakcjienzymatycznych... 58

3 4 Spis treści 5 Klasyfikacja i przegląd enzymów Zasadynazewnictwaiklasyfikacjienzymów Przeglądoksydoreduktaz Przeglądtransferaz Przeglądhydrolaz Przykładydziałanialiaz Przykładydziałaniaizomeraz Przykładydziałaniasyntetaz Budowa enzymów, koenzymy, witaminy Centrumaktywneenzymu Niebiałkowe składniki struktury enzymu i reakcji enzymatycznych Witaminyjakoprekursorykoenzymów Przeglądkoenzymówiwitamin Koenzymy przenośnikielektronów:nad +,NADP +,FMN, FAD,liponian,glutation,askorbinian Koenzymy przenośniki grup funkcyjnych: pirofosforan tiaminy, biotyna, koenzym A, fosforan pirydoksalu, tetrahydrofolian,korynoidy Swoistość enzymów i mechanizmy katalizy Typyswoistościenzymów Przykładyswoistościwśródgłównychgrupenzymów Swoistośćdehydrogenazitransferaz Swoistośćegzo-iendopeptydaz Proteasomirolaubikwityny Nietypowaliaza cystationaza Przykładymechanizmówkatalitycznychenzymów Działanieoksydoreduktaz Działaniehydrolazitransferaz Katalizakowalencyjnaproteinazserynowych Mechanizmdziałaniasyntetaz Aktywacja i hamowanie aktywności enzymów Regulacja aktywności enzymów przez modyfikacje potranslacyjne: fosforylacja Aktywacja przez ograniczoną proteolizę: proenzymy czyli zymogeny Kaskadowymechanizmkrzepnięciakrwi Inhibitoryenzymów Inhibitory współzawodniczące czyli kompetycyjne Inhibitory niewspółzawodniczące czyli niekompetycyjne Przykładyważnychinhibitorów Czynnikichelatujące Związkiblokującegrupy SH Truciznyhemoprotein Inhibitoryorganofosforowe Różneinhibitorykompetycyjne Białkoweinhibitoryproteinaz

4 Spis treści 5 9 Różnorodne formy enzymów Enzymykonstytutywneiindukowane Enzymy oligomeryczne oraz mikroheterogeniczność enzymów Izoenzymy Układywieloenzymowe Enzymykluczowe Enzymyallosteryczneiichregulacja Subkomórkowe rozmieszczenie enzymów i przedziałowość komórki Przedziałysubkomórkowe Metodykabadań Enzymymarkery znacznikifrakcjisubkomórkowych Oczyszczanie i własności wybranych frakcji subkomórkowych Izolowanie i oczyszczanie frakcji jąder komórkowych Izolowanieiwłasnościmitochondriów Izolowanieiwłasnościlizosomów Izolowanieiwłasnościperoksysomów Izolowanieiwłasnościmikrosomów Enzymy w biotechnologii i medycynie Enzymytermostabilne Enzymyimmobilizowane Enzymywdiagnostyceklinicznejiterapii II Metabolizm Metody badania metabolizmu Definicjeiprzykładyprocesówmetabolicznych Organizmjakocałośćjestdomenąfizjologii Narządyizolowane Skrawkitkankowe Hodowlekomórkowe Homogenatytkankoweistrukturysubkomórkowe Izolowaneukładywieloenzymowe Mikrometodywbadaniachmetabolizmu Nurki Kartezjusza jako przykład mikrometody respirometrycznej Techniki chromatografii, elektroforezy, spektroskopii ispektrometriimasowej Zastosowanieradioizotopówwbiologiiimedycynie Rozcieńczenieizotopoweipomiarwielkościpuli Ilościowe pomiary szybkości syntezy i rozkładu białek invivo Metodaznaczonychatomów Pośrednie pomiary ilościowe z zastosowaniem radioizotopów 169

5 6 Spis treści 13 Związki wysokoenergetyczne i znaczenie fotosyntezy dla życia na ziemi Rolazwiązkówwysokoenergetycznychwmetabolizmie Biologicznypotencjałredoks Fotosynteza Strukturachlorofilu Reakcjeświetlnefotosystemów AsymilacjadwutlenkuwęglaicyklCalvina(cyklC3) SzlakC4roślintropikalnych Utlenianie biologiczne Mitochondrialnyłańcuchoddechowy KompleksyoddechoweGreena Mitochondrialneukładychinonu Białkażelazo-siarkowe Cytochromy Inhibitoryłańcuchaoddechowego Frakcjonowanieskładnikówmitochondriów Transport metabolitów przez błonę mitochondrialną ikomórkową Mechanizmoksydacyjnejfosforylacji Biochemicznateoriapośredników TeoriachemiosmotycznaMitchella TeoriakonformacyjnaBoyera Stany czynnościowe łańcucha oddechowego i jego biologiczne odmiany Transportelektronówwbłonachmikrosomowych Cykl kwasów trikarboksylowych cykl cytrynianowy Organizacjaenzymówcyklucytrynianowego Regeneracjaszczawiooctanu Bilans energetyczny cyklu cytrynianowego jako wspólnej drogi końcowejmetabolizmu Bocznicemetabolicznecyklucytrynianowego Regulacjacyklucytrynianowego Metabolizm cukrów glikoliza Budowaibiologicznarolacukrowców Odkryciemechanizmuglikolizyifermentacji Przebiegglikolizyfosforylującejifermentacji Odgałęzienia metaboliczne szlaku glikolizy i procesy regulacji Glukoneogeneza Metabolizm cukrów alternatywne szlaki i cykle Szlakheksozomonofosforanowyicyklpentozowy Cyklglukuronowo-gulonowy Zestawieniegłównychdrógmetabolizmuglukozy Aktywne formy cukrów i ich znaczenie w procesach metabolicznych Syntezałańcuchówcukrowychglikoprotein

6 Spis treści 7 18 Metabolizm lipidów Budowaifunkcjebiologicznelipidów,strukturabłon Utlenianiekwasówtłuszczowych Biosyntezakwasówtłuszczowych Biosyntezalipidów Metabolizm cholesterolu i steroidów Cholesterolipochodnesteroidy Mechanizmiregulacjasyntezycholesterolu Rolacholesteroluwmiażdżycy Metabolizm aminokwasów Biosyntezaaminokwasów Degradacja aminokwasów: deaminacja i losy jonów amonowych Losyketokwasów pochodnychaminokwasów Funkcjonalnieważnemetabolityaminokwasów Metabolizm nukleotydów purynowych i pirymidynowych Biosyntezanukleotydówpurynowych Biosyntezanukleotydówpirymidynowych Powstawaniedeoksyrybonukleotydów Degradacjakwasównukleinowych Degradacjapuryn Degradacjapirymidyn Zaburzenia metabolizmu uwarunkowane genetycznie Przykłady chorób wywołanych mutacjami pojedynczych genów Główne bloki metaboliczne na szlakach przemian fenyloalaniny ityrozyny Fenyloketonuria Tyrozynoza Alkaptonuria Kretynizmtarczycowy Albinizm Blokimetaboliczneprzemianróżnychaminokwasów Inne przykłady patologii molekularnych uwarunkowanych genetycznie Mukopolisacharydozy Zwłóknienietorbielowate III Informacjabiologiczna Informacja biologiczna w epoce genomiki Złożonycharakterinformacjibiologicznej Sekwencjonowaniegenomuieragenomiki Niekodująceirepetytywnesekwencjegenomu

7 8 Spis treści 24 Biosynteza DNA i mechanizm replikacji Semikonserwatywnymechanizmreplikacji Enzymatycznymechanizmreplikacji Replikacjatelomerów Inhibitoryreplikacji Organizacja chromatyny, cykl komórkowy, apoptoza, naprawa uszkodzeń DNA Strukturachromatynyirolahistonów Cyklkomórkowyijegoregulacja Apoptoza:znaczeniebiologiczneimechanizm UszkodzeniainaprawaDNA Transkrypcja i dojrzewanie RNA TransferinformacjigenetycznejzDNAnaRNA Transkrypcjawkomórkachprokariotycznych Transkrypcjawkomórkacheukariotycznych Inhibitorytranskrypcji RybosomowyRNA PrzenośnikowyRNA MatrycowyRNAijegodojrzewanie Translacja: mechanizm i regulacja Kodgenetyczny Mechanizmtranslacji Zapoczątkowanietranslacji Wydłużanie łańcucha peptydowego i zakończenie translacji Inhibitorytranslacji Potranslacyjne modyfikacje białek i ich losy w komórce Wewnątrzkomórkowy transport białek oraz ich wydzielanie Potranslacyjnemodyfikacjebiałek Regulacja ekspresji genów Strategieregulacyjne Regulacjaekspresjigenówubakterii Koncepcjaoperonu Ryboprzełączniki Regulacjaekspresjigenówueukariontów Adaptacjastrukturychromatyny Rolaczynnikówtranskrypcyjnych AktywacjaczynnikaNF-κB RegulacjastabilnościmRNAiprocesutranslacji RolaregulatorowychformRNAwekspresjigenów Immunoglobuliny model specyficznej regulacji ekspresji genów Strukturaimmunoglobulin Mechanizmygenerująceróżnorodnośćprzeciwciał

8 Spis treści 9 31 Integracyjna funkcja hormonów i cytokin Hierarchicznastrukturaukładuendokrynnego Molekularnymechanizmdziałaniahormonówicytokin Działaniehormonówlipofilowych Działaniehormonówhydrofilowych Działaniecytokin Przekaz sygnału w komórce zwierzęcej Rola struktur błonowych komórki w przekazie informacji biologicznej Sygnalizacja biologiczna wykorzystująca receptory błony komórkowej PrzekazsygnałuprzyudzialebiałekG Rolatlenkuazotuwprzekaziesygnału Produkty hydrolizy fosfolipidów w przekazie sygnału Metabolity kwasu arachidonowego w przekazie sygnału Rolakinazbiałkowychwprzekaziesygnału Przekaz sygnału w systemie nerwowym Dwojakicharakterimpulsunerwowego Główneneuroprzekaźniki Receptoryneuroprzekaźników Terapeutyczne efekty agonistów i antagonistów neuroprzekaźników 431 Skorowidz rzeczowy 432 Skorowidz nazwisk 456