Biokémia Szarka András szarka@mail.bme.hu 463 3858

Biokémia: az élő anyagok kémiája Az élő anyagok élettelen molekulákból állnak. Mi különbözteti meg az élőlényeket az élettelen tárgyaktól? A kémiai anyagok hihetetlen komplexitása és szervezettsége Sejt: több ezernyi anyag, bonyolult szerkezet Kő, homok, tengervíz: általában viszonylag egyszerű anyagok halmaza 2. Az élő szervezetek környezetükből veszik fel, alakítják át és használják fel az energiát, amely rendszerint táplálékok, vagy napenergia formájában áll rendelkezésükre.

1. A kémiai anyagok komplexitása és szervezettsége az élő sejtben 3. Az élő szervezetek képesek precíz önreprodukcióra. 1. A kémiai anyagok komplexitása és szervezettsége az élő sejtben Minden makromolekula néhány egyszerű elemből épül fel (C, H, N, O). C speciális kötési tulajdonságai. b. Monomer molekulák: szerves vegyületek, Mw<500 (aminosavak, monoszacharidok, nukleotidok). c. Makromolekulák: fehérjék, poliszacharidok, nuklein savak

Fehérje: ezernyi aminosav Nukleinsav: milliónyi nukleotid Univerzálisak, minden élőlényben azonosak. d. Szupramolekuláris rendszerek (riboszóma, enzim komplexek…)

e. Sejtorganellumok (mitokondrium, kloroplaszt, peroxiszóma, sejtmag… f. Sejt

A Sejt Minden élő szervezet szerkezeti és funkcionális alapegysége. Közös alaptulajdonságok: 1. Plazmamembrán: megadja a sejt határát Elhatárolja a sejteket környezetüktől. Korlátozott permeabilitású. Anyagcsere biztosítása transzportfolyamatok révén Szerkezeti és funkcionális épsége feltétele valamennyi sejtfunkciónak Összetétel: az alapszerkezet lipidek és fehérjék, kis mennyiségben szénhidrátok

2. Citoplazma: a sejtmembrán által körülvett tér 2. Citoplazma: a sejtmembrán által körülvett tér. A citoszólból (vizes oldat) és a benne szuszpendált oldhatatlan anyagokból áll. Citoszól: magas koncentrációjú komplex összetételű vizes oldat, gélszerű állaggal. Oldhatalan anyagok: riboszómák, más szupramolekuláris rendszerek 3. Nukleusz, nukleoid: Minden élőlényben megtalálható a genomot tartalmazza. Gyakorlatilag összepakolt DNS. Bakteriális nukleoid: nrem határolja el semmi a citoplazmától Eukarióta nukleusz: dupla membrán határolja

Sejtdimenziók Mikroszkópikusak, átmérőjük állati, növényi: 5-100 mm bakteriális: 1-2 mm A méretük alulról és felülről is korlátos.

Prokarióták Kis méretű, egyszerű felépítésű sejtek. Nincs sejtmagmembrán, a DNS szabadon érintkezhet a citoplazmával Az RNS szintézis és a fehérjeszintézis paralel folyhat. Nincs belső organelláris elrendeződés. A sejtmembránt egy szilárd felépítésű sejtfal egészíti ki (Gram+, vagy Gram-). Escherichia Coli

Eukarióta sejtek Eukarióta újdonságok: A sejt DNS tartalmának növekedtével (Bakteriális genom: néhány millió bázispár, humán genom: 3.109 bázispár) - komplexebb pakolódás (fehérjékkel segített) kromoszómák létrejötte - bonyolultabb sejtosztódás 2. Membrán határolt belső struktúra kialakulása. Az RNS szintézis és a fehérjeszintézis térbeli elválasztása 3. A fotoszintézisre, vagy aerob metabolizmusra képtelen sejtek fotoszintetizáló, vagy aerob baktériumokat kebeleztek be.

Az eukarióta sejtek fontosabb szerkezeti tulajdonságai

Endoplazmás retikulum, Golgi apparátus, lizoszóma

Vakuóla Csak növényi sejtben fordul elő. Az állatok lizoszómáihoz hasonló. E mellett jelentős raktár. Akár a sejttérfogat 90%-át is kiteheti.

Sejtmag Kettős membránnal burkolt Folytonos a RER-mal. Pórusokon keresztül kommunikál a citoplazmával.

Mivel az eukarióta DNS jóval nagyobb a prokariótánál, sokkal szigorúbban pakolt szerkezetben található. hisztonfehérjék nukleoszóma kromatin kromoszóma A sejtosztódás előtt a DNS állomány megkettőződik (mitózis).

A mitokondrium és a kloroplaszt a sejt erőművei Mitokondrium energiaforrása: kémiai energia. Állatokban és növényekben is megtalálható. Kloroplaszt energiaforrása: napenergia. Csak növényekben található meg.

A mitokondrium és a kloroplaszt minden bizonnal bakteriális eredetűek Önálló DNS, RNS, riboszóma állomány. Szaporodásuk megkettőződéssel történik.

Citoszkeleton Az egész sejtet behálózó, szövevényes három dimenziós fehérjehálózat. Szilárdítja a sejtet, hozzájárul a sejt, a sejtorganellumok mozgásához. aktin filamentum mikrotubulus intermedier filamentumok

Jellemző Prokarióta sejt Eukarióta sejt Méret Általában kicsi (1-10 mm) Általában nagy (5-100 mm) Genom DNS nem hiszton fehérjével. A genom nukleoidban nincs membránnal körülvéve. DNS hiszton és nem hiszton fehérjékkel kromoszómába pakolva. A genom a sejtmagban kettős membránnal körülvéve. Sejt osztródás Hasadás vagy sarjadzás Mitozis Membrán határolta struktúrák Nincs Mitokondrium, kloroplaszt (növényekben), endoplazmás retikulum, Golgi komplrex, lizoszóma (állatokban), vakuóla (növényekben) stb. Energia termelés Nincs mitokondrium, az oxidatív enzimek a plazmamebránhoz kötődnek, változatos metabolikus mintázat Az oxidatív enzimek a mitokondriumba pakolva, viszonylag egységes oxidatív metabolikus mintázat Sejtváz Komplex (aktin filamentumok, mikrotubulusok, intermedier filamentumok) Intracelluláris mozgás transzport Kifejezett citoplazmatikus mozgás: endocitózis, fagocitózis, mitózis, vezikuláris transzport Táplálék felvétel Abszorpció, néhány esetben fotoszintézis Abszorpció, bekebelezés, néhány esetben fotoszintézis

Szénvegyületek forrása Energiaforrásaink Fototróf: fotoszintetizáló élőlények, szerves vegyületeket állítanak elő napenergia segítségével (a fényenergiát kémiai energiává alakítják át). (Fotolitotróf, fotoorganotróf) Kemotróf: nem képes a fényenergiát megkötni, energiát a felvett – első sorban – szerves anyagok oxidációja révén állít elő. (Hemolitotróf, hemoorganotrof). Szénvegyületek forrása Autotróf: CO2 felhasználásával szintetizálni tudja a szükséges szénvegyületeket. Heterotróf: a szükséges szénvegyületeket készen vagy viszonylag előkészített formában veszik fel.

Kontrakció Szállítás Bioszintézis Napfény energia Kémiai energia Fotoszintézis

A szén és a nitrogén körforgása a bioszférában

Energiatermelés a sejtekben, katabolizmus Az energiaközvetítő molekula: ATP

Az “sejt gépei” az enzimek papír + O2 füst + hamu + hő + CO2 + H2O A kémiai reakciók mindig a szabadenergia csökkenés irányába mennek végbe. Miért nem alakul át minden anyag a számára legalacsonyabb energiájú, legstabilabb állapotába? Válasz: aktivációs energiagát

Az enzimek ezt az aktivációs energiagátat csökkentik.

Enzimtulajdonságok Csak termodinamikailag lehetséges reakciót katalizálnak Mivel „csak” az aktivációs energiát csökkentik: Biokatalizátorok

Kapcsolt reakciók DG értéke negatív (exergonikus reakció): spontán, energiabevitel nélkül végbemegy DG értéke pozitív (endergonikus reakció): nem megy végbe spontán Végbemehet, ha egy exergonikus reakcióval összekapcsoljuk és az eredő szabadenergiaváltozás negatív.

Enzimtulajdonságok Csak termodinamikailag lehetséges reakciót katalizálnak Mivel „csak” az aktivációs energiát csökkentik: Biokatalizátorok Maguk nem változnak a reakció során Az enzimek fehérjemolekulák Holoenzim = apoenzim + koenzim

Az enzimhez kapcslódó nem fehérje alkotók, prosztetikus csoportok Az enzimek működésükhöz nem fehérje, nem aminosav részeket is igényelnek. - fémionok - szerves molekulák kovalens kötődéssel pl.: biotin, liponsav nem kovalens kötődéssel pl.: NAD, NADP+, tetrahidrofólsav

Csak termodinamikailag lehetséges reakciót katalizálnak Enzimtulajdonságok Csak termodinamikailag lehetséges reakciót katalizálnak Mivel „csak” az aktivációs energiát csökkentik: Biokatalizátorok Maguk nem változnak a reakció során Az enzimek fehérjemolekulák Holoenzim = apoenzim + koenzim Specifikusak: - Szubsztrát - Reakció pl.: hexokináz, trombin Érzékenyek a környezeti hatások, körülményrkre (pH, hőmérséklet, ionerősség, koncentráció)

Az enzimek különösen nagy mértékben gyorsítják meg a reakciókat. Minek tudható ez be? A katalitikus hely környezetében megnövelik a szubsztrátkoncentrációt A szubsztrát megkötéséből eredő kötési energia hozzájárul a közvetlen katalízishez Az enzimek jóval nagyobb affinitással bírnak az átmenet állapotú szubsztrát, mint a stabil végtermék iránt Sav és báziskatalízis

Katalitikus antitestek Orientációs hatás a b c a., az enzim megköti és pontosan orentálja egymáshoz a szubsztrátokat b., a szubstrát megkötésével az enzim átrendezi annak elektroneloszlását, részlegesen + és - részeket eredményezve. c., az enzim megfeszíti a megkötött szubsztrát molekulát, ezzel az átmeneti állapot felé tolva Katalitikus antitestek

Az enzimek osztályai A hasonló reakciókat katalizáló enzimeket egyazon osztályba sorolták 1. Oxidoreduktázok pl.: etanol + NAD+ acetaldehid + NADH + H+ 2. Transzferázok pl.: glukóz + ATP glukóz-6 foszfát + ADP 3. Hidrolázok pl.: glukóz-6 foszfát + H2O glukóz + Pi 4. Liázok pl.: 2-foszfoglicerát foszfoenol-piruvát + H2O 5. Izomerázok pl.: glukóz-6 foszfát frutóz-6 foszfát 6. Ligázok pl.: glutamát + NH3 + ATP glutamin + ADP + Pi

enzimkinetikai alapok E + S ES EP E + P Az adott idő alatt megkötött és átalakított szubsztrát mennyisége behatárolt. Az enzim egy pontban telítödik (Vmax) Átviteli szám: a Vmax és az enzimkoncentráció hányadosa kcat= Vmax/E0 (1 és 10 000 közötti szám, általában ~ 1000) egy enzimmolekula által 1 másodperc alatt átalakított szubsztrátmolekulák száma.

ES fogyás = ES képződés k-1ES + kcatES = k1 ES E = EO - ES ES = ES fogyás = ES képződés k-1ES + kcatES = k1 ES E = EO - ES ES = ES * k1/(k-1 + kcat) = (EO - ES)S * k1/(k-1 + kcat) Km = (k-1 + kcat)/ k1 ES = (EO - ES)S * 1/ Km ES Km + ES S = EO S ES = EO S / (Km + S) v = kcatES v = kcatEO S / (Km + S) v = vmax = kcatEO v = vmaxS / (Km + S)

Az enzimaktivitás szubsztrát- koncentráció- függésének és jellemző kinetikai paramétereinek meghatározása A reakciósebesség függése a szubsztrátkoncentrációtól A szubsztrát, a termék és az enzim koncentrációjának időbeli alakulása

Intermedier anyagcsere kémiai energia nyerése a környezetből felvett anyagok átalakítása az élőlény felépítéséhez szükséges anyagokká, intermedierekké a sejt folyamatainak szabályozásához szükséges anyagok előállítása biotranszformáció (méregtelenítés, kiválasztás) a biomolekulák transzportja sejten belül és kívül

Elektrontranszfer, a fontosabb elektronszállító molekulák NAD: nikotinamid adenin-dinukleotid FAD: flavin adenin-dinukleotid Ubikinon