BIOCHEMIE

František Vácha

http://www.prf.jcu.cz/~vacha/

Doporučená literatura:

D.L. Nelson, M.M. Cox

Lehninger Principles of Biochemistry

D.J. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt

Principles of Biochemistry

L. Stryer

Biochemistry

1. Jaké jsou chemické vlastnosti a struktura biologických látek

2. Jak mezi sebou tyto biologické látky interagují

3. Jak buňky syntetizují a jak odbourávaní biologické látky

4. Jak je organismy získávána, přeměňována a uchovávána energie

potřebná k životu

5. Jaké jsou mechanismy organizace a vzájemné interakce biologických

látek

Základní otázky biochemických oborů

Studium biochemie odkrývá principy fungování živých organismů

Základní principy a stavba

buňky

B, F, Al, Si, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Se, Br, Mo, Cd, I, W

Základem živých

organismů jsou různě

velké a složité molekuly

tvořené jednoduchými

anorganickými molekulami

Molekulární složení buňky Escherichia coli

Kombinace různých funkčních skupin

v jedné biologické makromolekule

přináší větší chemickou variabilitu

takové molekuly

Interakce různých makromolekul s

komplementárním uspořádáním

funkčních skupin přináší další funkční

variabilitu do biologických struktur

1. Kde se vzal základní materiál pro tvorbu prvních živých

struktur? Předpokládá se, že veškeré stavební kameny

potřebné pro vznik života, kterými byly různé prvky a molekuly,

byly na zemi přítomné.

2. Jak se tyto látky ocitly na zemi? S.Miller- H.Urey

experimenty ve 40-tých a 50-tých letech minulého století,

elektrický výboj v přítomnosti vody, methanu, vodíku a čpavku

– Organická polévka A. Oparina a J.B.S. Haldaneho.

1. Kde se vzal základní material pro tvorbu prvních živých

struktur? The early earth is presumed to have provided all of

the elements and chemicals needed for life to begin.

2. Jak se tyto látky ocitly na zemi? S.Miller- H.Urey

experimenty ve 40-ých a 50-yých letech minulého století,

elektrický výboj v přítomnosti vody, methanu, vodíku a čpavku

– Organická polévka A. Oparina a J.B.S. Haldaneho.

3. Jak vznikly biologické polymery? Polymerizace na jílech,

reakce ve vodě rozpuštěných organických sloučenin v

blízkosti vulkanické podmořské činnosti, světlem indukovaná

fotopolymerizace.

4. Jak se formovaly izolované buňky? Vytváření uzavřených a

membránou ohraničených struktur bylo podmínkou vzniku

prvních buněk. Molekuly lipidů tvoří ve vodním prostředí

samovolně membránové vesikuly, liposomy.

5. Jak probíhaly první formy reprodukce? RNA svět.

~ 3.4 billion year old fossil filamentous bacterial cell from Western Australia

Kompartmentace

Výhody kompartmentace:

• Ochrana od okolí

• Zajištění rozdílných lokalních koncentrací –

proti difuzi, reaktivita, zásoba látek

• Oddělení protichůdných reakcí

• Kontrola transportu

• Signalizace

Dva typy buněk/organismů

Prokaryota Eukaryota

Buňka

Žádné jádro

cirkulární DNA

Bez organel

(pro – before; eu – good or true; karyon – kernel or nut)

DNA v jádře

organely

Prokaryotes

Prokaryotes

Vznik organel

Endosymbiotická teorie

Mitochondrie a chloroplasty vznikly z volně žijících bakterií, které

byly pohlceny jiným organismem

Vaucheria litorea Elysia chlorotica

green alga sea slug

Termodynamika v

biochemii

Gibbsova volná energie

ΔG = ΔH – TΔS

ΔG = ΔGo + RT lnK

ΔGo = – RT lnKeq

ΔH – Enthalpie – teplo za konstantního tlaku (exotermické,

endotermické)

T – teplota v Kelvinech

S – Entropie

R – plynová konstanta

K – reakčni kvocient

Keq – rovnovážná konstanta

Go – Standardni volná energie

Spontánnost biochemických reací

ΔG < 0 Spontánní – přímá reakce

ΔG = 0 Rovnováha

ΔG > 0 Není spontánní – opačná reakce

Za biochemických standardních podmínek (1M, pH 7, 298 K,

101.3 kPa) je možné změnu volné energie vyjádřit pomocí

rovnovážné konstanty

Rovnovážná konstanta určuje směr

chemické reakce

Skutečná změna volné energie

závisí na aktuální koncentraci

reaktantů a produktů

Rovnovážná konstanta – za standardních podmínek (K’eq)

– výchozí koncentrace složek reakce jsou 1M

To ale není případ látek v živém organismu

Právě různá koncentrace metabolitů určuje výsledný směr

reakce

Lidské erythrocyty

ATP = ADP + Pi

ATP = 2.25 mM

ADP = 0.25 mM

Pi = 1.65 mM

T = 37 oC (310 K)

DG’o = - 30.5 kJ/mol

DG = - 52 kJ/mol

Standardní změny volné energie některých biochemických reakcí

• Vysoká záporná hodnota ΔG nezaručuje to, že reakce

proběhne měřitelnou rychlostí

• Rychost reakce závisí na detailním mechanismu

reakce a ne na velikosti ΔG

• Takřka všechny látky v organismu spolu mohou

nějakým způsobem reagovat a mnoho takových

reakcí je i termodynamicky výhodných

• Organismus však může regulovat rychlosti reakcí

pomocí úpravy reakčních mechanismů

• K tomu dochází za pomoci enzymové katalýzy

K životu je potřeba energie

• Živý organismus je tvořen uspořádanými

komplexními strukturami

• Vybudování takových struktur je možné jen za

použití energie (snížení entropie systému)

• Základním zdrojem energie na zemi je slunce

Klasifikace organismů podle zdroje energie a

podle zdroje uhlíku

Zákony termodynamiky

aplikované na živé organismy

• Energie se nedá vytvořit z

„ničeho“ ani se nedá „na nic“

přeměnit

• Organismy mohou pouze

přetvářet energii z jedné formy

na druhou a obráceně

• Anorganické látky tvoří komplexní biologické molekuly

• Kompartmentace a její zásadní úloha a podmínka pro

život

• Rozdíl mezi prokaryoty a eukaryoty

• Organely a jejich vznik

• Archaea, Bacteria and Eukaryotes

• Volná energie, rovnovážná konstanta, spontánnost

reakce

• Zdroj energie v různých typech organismů

Co musím znát

Voda a nevazebné interakce

~ 70 % hmotnosti člověka je tvořeno vodou

• Biochemické reakce v organismech probíhají

převážně ve vodním prostředí

• Biologické molekuly tak získávají svůj tvar a

funkční vlastnosti právě na základě interakce

s vodou

• I sama voda se v mnoha případech účastní

biochemických reakcí

• Unikátní fyzikální a chemické vlastnosti

vody zajišťují podmínky pro vznik a

existenci života na zemi

• Dva atomy vodíku vázané na atom kyslíku v sp3

hybridizaci

• Dva rohy čtyřstěnu jsou obsazeny vodíkem dva

nevazebnými elektronovými páry

Vodíkový můstek – klíčová vlastnost vody v biologii

Polární molekula: - 0.66 e na kyslíku a + 0.33 e na každém vodíku

Vodíková vazba ve vodě ~ 1.9 Å

Energie vazby ~ 20 kJ . mol-1

—F—H…..:F— 155 kJ/mol 1.13 Å

—O—H…..:N— 29 kJ/mol 2.88 Å

—O—H…..:O— 21 kJ/mol 2.70 Å

—N—H…..:N— 13 kJ/mol 2.93 Å

—N—H…..:O— 8 kJ/mol 3.04 Å

Vodíkové vazby různých funkčních skupin

V ledu každá molekula vody může

interagovat se čtyřmi dalšími

molekulami vody

Hustota ledu je nižší než vody (0.92 ve

srovnání 1.00 g . mL-1)

Led plave na vodě a tím mohou

organismy přežít ve vodě pod ledem

Krystaly ledu narušují buněčné

struktury a tím způsobují buněčnou

smrt

Vysoké latentní teplo vody (334 J . g-1)

chrání organismy před zmrznutím

Voda v pevném skupenství

Pouze asi ~ 85 % vodíkových

vazeb ve srovnání s ledem

Reorientace jednou za 10-12 s

H-vazby tvoří nerovnoměrnou sít

vázaných molekul

Vysoká specifická tepelná kapacita

vody chrání organismy před

přehřátím (75 J . mol-1 . K-1)

Voda jako kapalina

Nekovalentní vazby – slabé vazebné interakce jsou

základními vazbami v biologických molekulách

Prakticky celý život závisí na slabých nevazebných interakcích

• Voda jako základní prostředí živých organismů

• Vodíková vazba

• Nevazebné interakce

Co musím znát