Skład chemiczny organizmów. Rola enzymów w przemianach metabo- licznych.

Skład chemiczny organizmów. Rola enzymów w przemianach metabo- licznych.

WODA Woda jest składnikiem wszystkich organizmów. Zawartość wody w komórkach i w całym organizmie zmienia się z jego wiekiem i nasileniem metabolizmu. Woda w organizmie człowieka zajmuje około 65% masy ciała. Dużo wody zawierają: łzy (90%), limfa (95%), osocze krwi (90%), tkanka nerwowa (88%), tkanka mięśniowa (75%). Najmniej wody zawierają: kości (20%) oraz szkliwo zębów (10%). Cząsteczki wody łączą się słabymi wiązaniami wodorowymi (pomiędzy atomem tlenu i atomem wodoru) Woda ma budowę po- larną dipolową oznacza to, że część cząsteczki po stronie tlenu ma ładunek ujemny, a część po stronie atomów wodoru dodatni. Wszystkie substancje mające budowę polarną (czyli większość związków organicznych) rozpuszczają się i wchodzą w reakcje z wodą. Woda jest uniwersalnym rozpuszczalnikiem związków organicznych. Woda jest niezbędnym uzupełnieniem pokarmu każdego organizmu. Jest składnikiem płynów ustrojowych (np. krwi). Stanowi środek transportu wewnątrzustrojowego, np. szkodliwych produktów metabolizmu, substancji odżywczych, hormonów, witamin i enzymów. Uczestniczy w regulacji temperatury: Posiada wysokie ciepło właściwie, przez co wolno się nagrzewa i wolno traci ciepło. Zawartość wody w organizmie jest duża, przez co zmniejsza wahania temperatury. Ma wysokie ciepło parowania, dzięki czemu powoduje schładzanie organizmu (organizm poci się paruje schładza się). Woda ma odczyn obojętny, przez co jest środowiskiem zachodzenia wszystkich reakcji biochemicznych i nie zakłóca ich przebiegu. Jest istotnym elementem rozmnażania i rozwoju organizmów. Jest cieczą przezroczystą, co umożliwia przenikanie promieni świetlnych potrzebnych w procesie fotosyntezy. Woda w 4 0 C ma największą gęstość i opada na dno, nie zamarza i umożliwia przeżycie organizmom podczas niskich temperatur. 2

PIERWIASTKI ŻYCIA Skład pierwiastków w organizmie makroelementy mikroelementy ultraelementy (bardzo mało) PIERWIASTKI BIOGENNE (wchodzą w skład podstawowych związków organicznych w każdym organizmie) C węgiel H wodór O tlen N azot P fosfor S siarka POZOSTAŁE MAKROELEMENTY Ca wapń główny składnik kości, niezbędny do krzepnięcia krwi i do skurczu mięśni. Mg magnez korzystnie wpływa na tkankę nerwową i pracę serca. K potas i Na sód prawidłowe działanie komórki nerwowej neuronu Cl chlor i Na sód - regulują stężenie płynu fizjologicznego. Fe żelazo składnik hemoglobiny; brak żelaza powoduje anemię. F- fluor składnik szkliwa zębów. J jod do prawidłowego funkcjonowania tarczycy. Zn cynk wpływa korzystnie na skórę; niezbędny do produkcji insuliny. Si krzem wpływa korzystnie na włosy i paznokcie. Złoto Srebro 3

ZWIĄZKI CHEMICZNE Związki organiczne o Białka o Tłuszczowce o Cukrowce o Kwasy Nukleinowe o Witaminy Woda Związki Nieorganiczne Sole mineralne: Kation H + Na + K + Mg 2+ Ca 2+ Anion: Cl - S 2- PO 4 3- SO 4 2- SO 3 2- CO 3 2- NO 3- PODSTAWOWE ZWIĄZKI ORGANICZNE W ORGANIZMIE Związki organiczne Podstawowa jednostka Pierwiastki Najważniejsze funkcje składowa budujące związków organicznych związku organicznego Białka Aminokwasy C, H, O, N, S Pełnią funkcję budulcową. Pełnią funkcję katalityczną. Węglowodany Monosacharydy (np. glukoza) C, H, O Są źródłem energii. Są strukturalnym składnikiem ścian komórkowych roślin i grzybów oraz pancerzyków chitynowych stawonogów. Są materiałem zapasowym. Tłuszcze Glicerol + kwasy tłuszczowe C, H, O Są źródłem energii. Tworzą podskórną warstwę termiczną. Kwasy Nukleinowe Nukleotydy C, H, O, N, P Przechowują informację genetyczną i odpowiadają za jej dziedziczenie. 4

WĘGLOWODANY Węglowodany, (cukrowce, sacharydy) to organiczne związki zbudowane z C, H, O (węgiel do wodoru do tlenu w proporcji 1 : 2 : 1). C n H 2n O n Węglowodany Proste (monosacharydy) złożone z jednej cząsteczki; pełnią funkcje energetyczne. Złożone Złożone z minimum 2 cząsteczek TRIOZY - C 3 H 6 0 3 - Aldehyd Glicerynowy pierwszy produkt fazy ciemnej fotosyntezy; produkt pośredni oddychania wewnątrzkomórkowego. PENTOZY C 5 H 10 O 5 - Ryboza - Deoksyryboza (składniki kwasów nukleinowych) HEKSOZY C 6 H 12 O 6 - Glukoza (produkt fotosyntezy; substrat oddychania wewnątrzkomórkowego, do syntezy dwui wielocukrów). - Fruktoza - Galaktoza Dwucukry (disacharydy) Pełnią funkcję odżywcze energetyczne C 12 H 22 O 11 SACHAROZA Glukoza + fruktoza (cukier buraczany, trzcinowy) MALTOZA Glukoza + glukoza (do budowy skrobi; występuje w ziarnach i pyłkach) LAKTOZA Glukoza + galaktoza (występuje w mleku) Wielocukry (polisacharydy) (C 6 H 10 O 5 ) n GLIKOGEN Materiał zapasowy zwierząt i grzybów. Występuje w wątrobie i mięśniach. SKROBIA Materia zapasowa roślin. CELULOZA W ścianach komórkowych materiał strukturalny. CHITYNA Materiał do budowy szkieletów zewnętrznych stawonogów oraz ścian komórkowych grzybów materiał strukturalny. Rozpuszczalne w wodzie Nierozpuszczalne w wodzie 5

WĘGLOWODANY c.d. GLUKOZA I GLIKOGEN Cząsteczki glukozy połączone w łańcuch tworzą wielocukry, np. glikogen. Glikogen zbudowany jest z kilkudziesięciu tysięcy cząsteczek glukozy połączonych ze sobą wiązaniami glikozydowymi (na rysunku zaznaczone kolorem czerwonym). Powstaje ono pomiędzy atomami węgla nr 1 jednej cząsteczki cukru i atomem węgla nr 4 drugiej cząsteczki cukru. Zapas glikogenu w wątrobie umożliwia utrzymanie stałego poziomu glukozy we krwi. Glukoza: Jest najczęściej występującym i najważniejszym cukrem w metabolizmie istot żywych. W stanie wolnym występuje w płynach ustrojowych wszystkich zwierząt tkankowych, także człowieka. Wchodzi w skład dwucukrów oraz wielocukrów, np. skrobi, celulozy i glikogenu. 6

BIAŁKA Największa grupa związków organicznych Podstawowymi jednostkami (czyli monomerami), z których zbudowane są białka, są aminokwasy. H 2 N grupa aminowa R reszta aminokwasowa (stanowi łańcuch boczny, różny dla poszczególnych aminokwasów) COOH grupa karboksylowa W białkach występuje 20 aminokwasów. Najprostszymi pod względem budowy chemicznej aminokwasami są glicyna i alanina. Pozostałe aminokwasy, np. walina, leucyna, tyrozyna czy cysteina mają bardziej skomplikowaną budowę chemiczną. Aminokwasy endogenne, takie jak na przykład glicyna czy alanina, organizm ludzki może sam wytworzyć. Aminokwasy egzogenne, takie jak na przykład tyrozyna lub cysteina, organizm nie jest w stanie ich wytworzyć i musi je przyjąć z pokarmem. W cząsteczce białka sąsiadujące ze sobą aminokwasy połączone są wiązaniami peptydowymi, powstałymi w wyniku połączenia grupy aminowej jednego aminokwasu z grupą karboksylową drugiego, po odłączeniu cząsteczki wody. W wyniku połączenia dwóch cząsteczek aminokwasów powstaje dipeptyd; połączenie większej liczby cząsteczek aminokwasów prowadzi do powstania polipeptydu. 7

BIAŁKA c.d. Czynniki wpływające na denaturację białek: Temperatura powyżej 50 0 C Mocne zasady Kwasy Alkohole Sole metali ciężkich (Ag, Pb, Hg) Struktura białek: I-, II-, III-, i IV-rzędowa 8

BIAŁKA c.d. Struktura białek wykazuje 4 stopnie złożoności (przedstawione na rysunku powyżej): a) Struktura pierwszorzędowa jest to sekwencja (kolejność) aminokwasów, liniowe ich ułożenie (poznane już w licznych białkach ustrojowych, np. w insulinie). Połączone wiązaniami peptydowymi. b) Struktura drugorzędowa to ułożenie przestrzenne łańcucha aminokwasów w rodzaj spirali lub harmonijki. Strukturę utrzymują słabe wiązania wodorowe. Przykładem białka o strukturze drugorzędowej jest keratyna, składnik paznokci i włosów. c) Struktura trzeciorzędowa jest to dalsze zwijanie się i fałdowanie struktury drugorzędowej w przestrzeni Stosunki przestrzenne tej struktury są utrwalane przez różnego typu wiązania, występujące pomiędzy oddalonymi od siebie aminokwasami (np. mostki siarczkowe S-S, wiązania jonowe, wiązania wodorowe itp.). Budowę trzeciorzędową wykazuje większość enzymów. d) Struktura czwartorzędowa jest to sposób połączenia się podjednostek białkowych o strukturze trzeciorzędowej. Dotyczy to białek złożonych z więcej niż jednego łańcuch polipeptydowego i określa, w jakim położeniu łańcuchy te znajdują się względem siebie oraz jak razem są ułożone w przestrzeni. Strukturę czwartorzędową ma np. cząsteczka hemoglobiny, - białko złożone, zbudowane z części białkowej (globiny) i niebiałkowej (hemu), uczestniczące w transporcie tlenu. Białka proste zbudowane są tylko z aminokwasów. Białka złożone zbudowane są z aminokwasów i grupy niebiałkowej, np. węglowodany i wówczas tworzą się kompleksy cukrowo białkowe, zwane glikoproteinami, tłuszczowo białkowe (lipoproteiny), czy nukleinowo - białkowe (nukleoproteiny). BIAŁKA PROSTE Albuminy funkcja transportowa; regulują ciśnienie osmotyczne. Globuliny funkcja transportowa i odpornościowa. Fibrynogen czynnik krzepnięcia krwi. Keratyna składnik włosów i paznokci; pełni role budulcowe. Kolagen i elastyna białka budulcowe (strukturalne), składniki tkanek łącznych. Miozyna i aktyna funkcje lokomotoryczne, umożliwiają ruch. ZŁOŻONE Glikoproteiny antygeny lub receptory błonowe; umożliwiają kontakt i rozpoznawanie komórek (zbudowane z cukru i białka) Chromoproteiny np. hemoglobina funkcja transportowa; w czerwonych ciałkach transport tlenu. Nukleoproteiny rybosomy, nici chromatyny (zbudowane z kwasu nukleinowego i białka). Lipoproteiny część tłuszczowa i białko; funkcja strukturalna. Enzymy - katalizują (przyspieszają) przebieg procesów biochemicznych. Hormony część ma budowę białka prostego, a część białka złożonego; regulują procesy fizjologiczne. 9

LIPIDY Niejednorodna grupa związków organicznych o różnym składzie i zróżnicowanej budowie. Mają niepolarny charakter cząsteczek cząsteczka nie wykazuje zróżnicowania ładunków elektrycznych na swojej powierzchni. Nie rozpuszczają się w wodzie, ale są rozpuszczalne w niepolarnych rozpuszczalnikach organicznych takich jak np. benzyna, czy aceton. LIPIDY (tłuszczowce) Lipidy proste Tłuszcze właściwe - Materiał zapasowy w tkankach zwierzęcych. - Materiał energetyczny. - Materiał termoizolacyjny. - Ochrona przed urazami mechanicznymi. Woski (zwierzęce - lanolina na sierści) - Ochrona przed nadmiernym parowaniem wody. Lipidy złożone Fosfolipidy - Podstawowy składnik błon biologicznych. Glikolipidy - Składnik substancji białej mózgu i rdzenia. Steroidy Sterole - Ważny składnik błon komórek zwierzęcych. Cholesterol nadmiar cholesterolu miażdżyca. Witamina D - Wzmaganie wchłaniania wapnia w jelitach - Nieodzowna do utrzymania prawidłowej struktury kości. Hormony steroidowe - Regulacja przebiegu wielu procesów metabolicznych (np. estrogen, testosteron). Sole żółciowe Ułatwianie trawienia tłuszczów. 10

LIPIDY c.d. Budowa cząsteczki tłuszczu: Cząsteczka tłuszczu właściwego zawiera trzy cząsteczki kwasów organicznych, zwanych kwasami tłuszczowymi, połączonych wiązaniami estrowymi z jedną cząsteczką trój węglowego alkoholu glicerolu. Wiązania estrowe powstają w wyniku reakcji grupy wodorotlenowej glicerolu z grupą karboksylową kwasu tłuszczowego. Kwasy tłuszczowe mogą być nasycone lub nienasycone, co oznacza odpowiednio brak lub obecność podwójnych wiązań w cząsteczce (na rysunku zaznaczone kolorem niebieskim). Nienasycone kwasy tłuszczowe mają podwójne wiązania między atomami węgla. Większość tłuszczów, zawierających nienasycone kwasy tłuszczowe, w temperaturze pokojowej ma konsystencję płynną. Z kolei tłuszcze, których cząsteczki zawierają nasycone kwasy tłuszczowe (a więc bez podwójnych wiązań między atomami węgla) mają w temperaturze pokojowej konsystencję stałą, np. smalec. Kwas nienasycony można nasycić dodatkowymi atomami wodoru, co wiąże się ze zmianą wiązań podwójnych na pojedyncze. 11

KWASY NUKLEINOWE Kwasy Nukleinowe związki organiczne, których w organizmie jest niewiele - stanowią zaledwie 1 % suchej masy. Są odpowiedzialne za przechowywanie i przekazywanie informacji genetycznej o budowie i właściwościach organizmu. Wyróżniamy: kwas deoksyrybonukleinowy DNA i kwas rybonukleinowy RNA. Kwasy nukleinowe DNA Kwas deoksyrybonukleinowy RNA Kwas rybonukleinowy Podstawową jednostką strukturalną kwasów nukleinowych jest nukleotyd. Każdy nukleotyd składa się z jednej z zasad azotowych (adeniny, guaniny, cytozyny, tyminy lub uracylu), cukru pięciowęglowego (rybozy lub deoksyrybozy, która uboższa jest od rybozy o jeden atom tlenu) i reszty kwasu fosforowego. Nukleotyd Pentoza Zasada azotowa Reszta kwasu fosforowego D deoksyryboza R - ryboza Puryny: A adenina G - guanina Pirymidyny: C- cytozyna T tymina U - uracyl Zasada komplementarności: Adenina (A) Uracyl (U); - w RNA Tymina (T) Adenina (A); - Guanina (G) Cytozyna (C); 12

KWASY NUKLEINOWE c.d. Cząsteczka DNA (tworzą ją 2 łańcuchy (nici) polinukleotydowe, które oplatają się wokół siebie tworząc strukturę, zwaną podwójną helisą). Model przestrzenny Cząsteczka RNA Model płaski Model przestrzenny Model płaski 13

Różnice między DNA i RNA KWASY NUKLEINOWE c.d. Cechy DNA RNA Wielkość łańcuchów polinukleotydowych Bardzo długie, zbudowane z kilku milionów nukleotydów. Krótkie zbudowane ze 100-1000 nukleotydów. Cukier (pentoza) Deoksyryboza Ryboza Zasady azotowe Rola biologiczna Adenina, Guanina, Cytozyna, Tymina Źródło informacji genetycznej. Struje syntezą białek. Warunkuje zjawiska dziedziczenia. Adenina, Guanina, Cytozyna, Uracyl. Uczestniczy w biosyntezie białek. U niektórych wirusów (np. retrowirusów) stanowi informację genetyczną. Ilość łańcuchów w cząsteczce Dwie Jedna Replikacja DNA W określonych warunkach cząsteczka DNA może ulegać powieleniu, czyli replikacji. W procesie replikacji bierze udział wiele enzymów, które powodują rozerwanie wiązań pomiędzy komplementarnymi zasadami. Powstałe w ten sposób wolne łańcuchy, przy udziale enzymu polimerazy DNA, dobudowują komplementarnie brakujące nukleotydy łańcucha dopełniającego. W wyniku replikacji z jednej cząsteczki DNA powstają dwie. Replikacja zachodzi przed każdym podziałem komórkowym. 14

KWASY NUKLEINOWE c.d. Rodzaje RNA a) mrna matrycowe zawiera informację genetyczna o sekwencji aminokwasów w łańcuchu białkowym. b) trna transportujący przenosi określony aminokwas z cytoplazmy na rybosomy, gdzie powstają białka. c) rrna rybosomalny wraz z białkami buduje rybosomy. WYKRYWANIE ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH W POKARMIE 1. GLUKOZA Próba kontrolna Glukoza + Fehling I, II Próba doświadczalna Sok z cytryny + Fehling I, II Próba doświadczalna Sok z jabłka + Fehling I, II temperatura temperatura temperatura ceglasty osad ceglasty osad ceglasty osad 2. SKROBIA Próba kontrolna Skrobia + płyn Lugola Próba doświadczalna Bulwa ziemniaka + płyn Lugola Próba doświadczalna Ziarna pszenicy + płyn Lugola 3. TŁUISZCZE Tłuszcz + Sudan III lub IV fioletowo granatowe fioletowo granatowe fioletowo granatowe różowe 4. BIAŁKO Białko + stężony HNO 3 reakcja ksantoproteinowa denaturacja żółte 15

METABOLIZM Metabolizm zespół reakcji biochemicznych zachodzących w komórkach organizmu. Metabolizm związany jest z przepływem materii, energii i informacji, zapewnia wzrost, ruch, rozmnażanie oraz pobudliwość nerwową u zwierząt. metabolizm anabolizm katabolizm Porównywana cecha Rodzaj reakcji ANABOLIZM KATABOLIZM Typ reakcji synteza rozpad Poziom energetyczny substratów niski wysoki Poziom energetyczny produktów wysoki niski Stopień złożoności substratów proste złożone Stopień złożoności produktów złożone proste Energetyczność reakcji endo pobieranie energii ekso wytwarzanie energii Przykłady reakcji anabolicznych Fotosynteza Oddychanie wewnątrz- Biosynteza białka komórkowe Trawienie białek 16

METABOLIZM c.d. Cząsteczka ATP (adenozynotrifosforan) Potrzebna do uwolnienia energii (uwalniając jedną resztę kwasu fosforowego). a) Budowa cząsteczki ATP A adenina R ryboza ADP b) Cykl odtwarzania ATP z ADP Fosforylacja proces powstawania ATP z ADP przy udziale energii i fosforanu nieorganicznego (-PO4) (chemicznie - reszta kw. fosforowego). ADP + (-PO 4 ) + energia ATP. fosforylacja Substratowa Substrat Wysokoenergetyczny ADP + P i ATP Produkt niskoenergetyczny Oksydacyjna Energia jest wyzwalana w czasie przepływu wodorów przez układ przenośników na tlen; wodory pochodzą ze związków organicznych, najczęściej z glukozy. Fotosyntetyczna Energia pochodzi z przepływu elektronów przez układ przenośników; elektrony pochodzą z cząsteczek chlorofilu. 17

ENZYMY Enzymy są białkami wytwarzanymi w każdej żywej komórce. Zalicza się je do katalizatorów, a więc substancji, które przyspieszają przebieg reakcji chemicznych. Obniżają energię aktywacji (do wartości, które mogą być użyte w żywych układach). Energia aktywacji najmniejsza ilość energii potrzebnej do zapoczątkowania reakcji chemicznej. Umożliwiają przebieg reakcji biochemicznych w warunkach panujących w żywych strukturach. Przekształcają substraty w produkty. Budowa enzymu Apoenzym + Koenzym = Enzym Część białkowa Część niebiałkowa APOENZYM - odpowiada za rodzaj substratu, który wchodzi w reakcję, posiada tzw. centrum aktywne, które jest przestrzennie dopasowane do cząsteczki substratu. KOENZYM odpowiada za rodzaj reakcji. Obniżenie energii aktywacji. Naprężenie wiązań w cząsteczce substratu. Przekształcenie substratu w produkt. 18

ENZYMY c.d. W nazewnictwie enzymów stosuję się końcówkę aza. W zależności od substratu, z którym łączy się enzym, oraz produktu końcowego, enzymom nadaje się określone nazwy, np. polimeraza. INHIBITORAMI nazywamy substancje, które hamują przebieg reakcji enzymatycznych; są zbudowane podobnie do substratów. Szybkość przebiegu reakcji biochemicznych katalizowanych przez enzym uzależniona jest od warunków środowiska, w którym przebiega reakcja, np. od temperatury i ph. Zależy też m.in. od stężenia enzymu i substratu. Enzymy a stężenie substratu. Przy wzroście stężenia substratu wzrasta szybkość reakcji. Jednak powyżej wartości progowej, przy którym enzym staje się wysycony substratem, dalsze zwiększanie jego stężenia nie wpływa na szybkość przebiegu reakcji. Enzymy a temperatura Wzrost temperatury w przedziale od kilku do 20-40 o C powoduje przyspieszenie większości reakcji chemicznych. Obniżanie temperatury sprawia, że szybkość reakcji chemicznych zmniejsza się. W wyższych temperaturach, powyżej 50 o C, szybkość reakcji stopniowo maleje, aż do całkowitego zatrzymania. Spowodowane jest to denaturacją cieplną(termiczną) białek enzymatycznych. Enzymy a odczyn środowiska (ph) Większość enzymów działa efektywnie przy określonym odczynie środowiska reakcji. Najczęściej jest to środowisko obojętne o ph = 7, czyli takie, jak odczyn płynów ustrojowych człowieka. WYKORZYSTANIE ENZYMÓW W PRZEMYŚLE Przy warzeniu piwa. Przy produkcji serów. Przy wypiekaniu pieczywa. Przy produkcji antybiotyków i witamin. Wykorzystywane są przede wszystkim enzymy trawiące białka (proteazy) oraz enzymy rozkładające skrobię (amylazy). 19

Spis treści WODA... 2 PIERWIASTKI ŻYCIA... 3 ZWIĄZKI CHEMICZNE... 4 PODSTAWOWE ZWIĄZKI ORGANICZNE W ORGANIZMIE... 4 WĘGLOWODANY... 5 WĘGLOWODANY c.d.... 6 BIAŁKA... 7 BIAŁKA c.d.... 8 BIAŁKA c.d.... 9 LIPIDY... 10 LIPIDY c.d.... 11 KWASY NUKLEINOWE... 12 KWASY NUKLEINOWE c.d.... 13 KWASY NUKLEINOWE c.d.... 14 KWASY NUKLEINOWE c.d.... 15 WYKRYWANIE ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH W POKARMIE... 15 METABOLIZM... 16 METABOLIZM c.d.... 17 ENZYMY... 18 ENZYMY c.d.... 19 WYKORZYSTANIE ENZYMÓW W PRZEMYŚLE... 19 20