A tárgy neve BIOKÉMIA I. Meghirdető tanszék(csoport) SZTE TTK, Biokémiai Tanszék Felelős oktató: Dr Lehoczki Endréné Kredit 2 Heti óraszám 2 típus Előadás Számonkérés Kollokvium Teljesíthetőség feltétele Párhuzamosan feltétel Előfeltétel Kémia alapjai Helyettesítő tárgyak Periódus Tavaszi félév, évente Javasolt félév 2. félév Kötelező vagy kötelezően Biológus, biológia tanár, biológus laboratóriumi operátor választható AJÁNLOTT IRODALOM L. Stryer: Biochemistry, W.H. Freeman and Co. New York, 1995 Ádám Veronika: Orvosi biokémia, Medicina Könyvkiadó, Budapest, 2004 Bálint Miklós: Molekuláris biológia I. II. III. Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 2002
A TANTÁRGY RÉSZLETES TEMATIKÁJA Bevezetés A biokémia az élőlények kémiai összetételével, az élő rendszerekben végbemenő kémiai változásokkal foglalkozik. Az élőlényekben előforduló vegyületek, biomolekulák szerkezetének, funkciójának ismertetésén túl törekszik, a szerkezet és funkció közötti összefüggések leírására, az életfolyamatok molekuláris szintű feltárására. Szemlélet módjában a kémiai ismereteket építi be a biológiai tudományba. A biokémia óriási ismeretanyagát a következő főbb csoportosításban tárgyaljuk: az élőlényekben előforduló molekulák kémiai szerkezetének és tulajdonságainak leíró jellegű ismertetése, és a funkcionális jellegű anyagcsere bemutatása. Figyelembe vesszük a biokémiának időközben kialakult új ágát a molekuláris biológiát. A tárgy keretében azokat az alapismereteket mutatjuk be, amelyekre további biológiai tárgyak: genetika, növény- és állatélettan, mikrobiológia stb. épülnek, ugyanakkor feltételezünk bizonyos kémiai alapismeretek meglétét, mivel a biomolekulákat ismertető részben csak a funkciók kialakulása szempontjából fontos tulajdonságokat tárgyaljuk. Az élő szervezetek felépítése Az élő szervezetek felépítése: biogén elemek, biomolekulák, biomolekulák hierarchiája. Az élő és élettelen rendszerek összehasonlítása. A víz tulajdonságai, szerkezete, szerepe. Víz, molekulák közötti kölcsönhatások, fontosabb kémiai kötéstípusok. Savak, bázisok, pufferek. Aszimmetria, konfiguráció, konformáció fogalma. Aminosavak, peptidek Fehérjéket felépítő aminosavak szerkezete, típusai és csoportosításuk. Az aminosavak elektrokémiai tulajdonságai és optikai sajátságaik. Aminosavak nomenklatúrája peptidekben, fehérjékben. A biokémia és a kiralitás. Ritka aminosavak előfordulása és szerepük. Aminosavak kimutatása, mennyiségi meghatározása. Aminosav összetétel meghatározása biológiai mintákból. A fingerprint technika, aminosav analizátor működésének alapja. Peptidek szerkezeti sajátosságai, előfordulásuk és biológiai funkcióik. Fehérjék szerkezete, szerkezet és funkció kapcsolata A peptid kötés jellemzése. Fehérjék szerkezeti szintjei: elsődleges, másodlagos, harmad- és negyedleges szerkezet. Fehérjék aminosav sorrendje, N- és C- terminális aminosavak fogalma és meghatározása. Fehérjék specifikus hasítása: enzimatikus és kémiai úton. Szekvencia meghatározása, átfedő peptidek segítségével. A másodlagos szerkezeti elemek: α-helix és β-lemez szerkezet. Szerkezeti motívumok, a domén fogalma és szerepe. A harmadlagos szerkezet 2
(fehérjék térszerkezete) kialakításában részt vevő kötések. A negyedleges szerkezet és stabilizálásában részt vevő kötések bemutatása. Aminosavak szerepe, részvétele az egyes szerkezeti szintek kialakításában. Fehérjék stabilitása, a szerkezetet fenntartó erők. Fehérjék denaturálása. Homológ fehérjék aminosav szekvenciája, szerkezete: különböző forrásból izolált citokrom c-k összehasonlítása. Fehérjék csoportosítása biológiai funkció, oldékonyság és összetétel szerint. Globuláris fehérjék szerkezete és működése mioglobin, hemoglobin és enzim példákon bemutatva. A hem csoport szerkezete, az oxigén kötése. A mioglobin szerkezete és működése. A hemoglobin szerkezete és működése, szekvenciális szabályozás értelmezése. Aminosavcserék következményei a hemoglobinban. Vázfehérjék A vázfehérjék mechanikai tulajdonságainak kialakítása. A vázfehérjék csoportosítása, az egyes szerkezeti típusok jellemzése: selyem fibroin, α-keratin, kollagén és elasztin szerkezete. A szerkezet és az egyes fehérjék tulajdonságainak kapcsolata. A kollagén felépítése, első, másod- és harmadlagos szerkezetének sajátosságai, előfordulása, szerkezeti stabilitását biztosító fontosabb kémiai kötések. A kollagén bioszintézise és lebontása. Az elasztin primer strukturájának jellegzetességei, szerkezete és stabilizálása. Szerkezet és funkció kapcsolata az elasztin molekulában. Fehérjék tisztítása, elválasztástechnikai módszerek Fehérjék izolálásának általános stratégiája. Fehérjék tisztítása és izolálása: oldékonyság különbségen alapuló eljárások és kromatográfiás módszerek. A fehérjék kisózása. Kristályosítás. A szerves oldószerek, a ph, és a hőmérséklet szerepe a fehérjék elválasztásánál. Adszorpciós, ioncserés, affinitás és gélkromatográfiás eljárások elméleti alapja és alkalmazhatósága fehérjék tisztítására. Az elektroforetikus technikák bemutatása és alkalmazhatósága homogén fehérjék előállítására és kimutatására. A natív és SDS-elektroforézis különböző felhasználási lehetőségei. Fehérjék molekulatömegének meghatározása. Az ultracentrifugálási módszer. A fehérjeszerkezet vizsgálati módszerei: optikai eljárások, röntgenkrisztallográfia, magmágneses rezonancia (NMR) vizsgálatok és szerepük a szerkezet megismerésében. Szénhidrátok Szénhidrátok általános jellemzői. Pentózok, hexózok a furanóz és a piranóz gyűrük szerkezete és konformációja. A fontosabb monoszacharidok áttekintése (glükóz, fruktóz, galaktóz, ribóz, dezoxiribóz kémiai sajátságaik és csoportosításuk, biológiai szerepük. Monoszacharidok származékai, a C- vitamin szerkezete. Diszacharidok (maltóz, szacharóz, laktóz) előfordulása, jelentősége. Poliszacharidok fontosabb képviselői: tartalék szénhidrátok: keményítő, glükogén és vázpoliszacharidok: cellulóz, sejtfalanyagok. Felépítés, lebontás. 3
Lipidek felépítése Lipidek csoportosítása molekula összetétel szerint, az egyes csoportok jelentősége. Az élőlényekben előforduló zsírsavak sokszínűsége: telített, telítetlen zsírsavak szerepe. A neutrális zsírok kémiai felépítése, lebontása: lipázok. Foszfogliceridek felépítése, típusai. Szfingolipidek jellemzése: ceramidok, szfingomielinek és glikolipidek felépítése. Terpének és származékaik- karotinoidok, vitaminok. Egyéb izoprénszármazékok, szteránvázas vegyületek fontosabb képviselői: szterinek (koleszterin), epesavak, hormonok. Mononukleotidok, polinukleotidok Mononukleotidok felépítése: purin és pirimidin vázas bázisok, nukleozidok, nukleotidok. Polinukleotidok: dezoxiribonukleinsavak szerkezete és típusai: A, B, és Z DNS. A DNS első és másodlagos szerkezete, a másodlagos szerkezet vizsgálata: hiperkrom, hipokrom effektus. A DNS harmadlagos szerkezete: relaxált körkörös, katenált, szuperhelikális. A DNS denaturációja és renaturációja. Nukleinsavak olvadáspontja. Ribonukleinsavak felépítése. A ribonukleinsavak típusai: mesenger, riboszómális és transzfer RNS-ek és funkcióik. Nukleinsavak izolálása. Ultracentrifugálási módszerek a nukleinsavak szétválasztására. A DNS elektroforézise. Biokatalízis, enzimek szerkezete és működése Biológiai folyamatok és a biokatalízis. A szabadenergia fogalma. Az enzimkatalízis lényege. Enzimek általános jellemzése: apoenzim, koenzim, prosztetikus csoport, holoenzim fogalma. Reakciók kinetikája és az enzimkatalízis. Aktivált állapot, reakciók aktiválási energiája. Az enzimszubsztát komplex kialakulásának molekuláris mechanizmusa: kulcs-zár, induced fit, fluktuációs fit mechanizmusok. Katalízis mechanizmusok: savbázis, kovalens, fémion katalízis, az átmeneti állapot stabilizálásával és elősegítésével, proximitás és orientációs hatások révén, elektrosztatikus kölcsönhatások révén. A katalízisben szerepet játszó tényezők: a hőmérséklet és a ph hatása az enzimaktivitásra. A Michaelis-Menten kinetika. A V max és a K M fogalma. Enzimreakciók gátlása Reverzibilis (kompetitiv, nemkompetitiv, unkompetitiv és vegyes típusú) gátlások. Aminosav oldalláncok szelektív és specifikus kémiai módosítása: az irreverzibilis gátlások áttekintése példákon. Az aktív centrum szerkezete és a katalízis mechanizmusa. Az aktív centrum felépítése és működése a lizozimnál és a szerin proteázoknál. Az enzimek osztályozása. 4
Az enzimműködés szabályozása Feed-back (visszacsatolás) és kooperáció útján. Allosztérikus enzimek: az összehangolt és szekvenciális modellek ismertetése. Szabályozás posztszintetikus módosítás útján kovalens kötések hasításával: tripszin, kimotripszin aktiválódása. Szabályozás reverzibilis posztszintetikus módosítás révén kovalens kötések létesítése: protein kinázok aktiválása és inaktiválása: az enzimműködés szabályozása foszforiláció és defoszforiláció segítségével. Koenzimek Koenzimek és vitaminok kapcsolata. Fontosabb oxido-reduktáz koenzimek szerkezete és működése: NAD, FAD, koenzim Q, citokromok. Az ATP mint koenzim felépítése, szerepe enzimatikus folyamatokban. Az anyagcsere folyamatok áttekintése Az élőlények energia igénye. Az energia és anyagforgalom kapcsolata. Energiatranszformálás és tárolás: energiatároló molekulák. Redoxpotenciál. Az anyagcsere vizsgálat módszerei. Energianyerés biológiai molekulák lebontásából. Glikolízis A glükóz anaerob lebontása: glikolízis. A glikolízis helye az intermedier anyagcserében. A lebontás első és második szakasza. Az egyes enzimatikus lépések jellemzése, a lépéseket kísérő energiaváltozás. A piruvát átalakulásának lehetőségei. Alkoholos erjedés. Egyéb erjedési típusok. A glükóz anaerob lebontásának energiamérlege. A glikolízis evolúciós jelentősége. A glükózlebontás szabályozása. A fruktóz és galaktóz belépése az anyagcserébe. A piruvát dehidrogenáz multienzim komplex Az acetil-koenzim A képződése piruvátból. A piruvát dehidrogenáz multienzim komplex (piruvát dehidrogenáz, dihidrolipoil-transzacetiláz, dihidrolipoil-dehidrogenáz) szerkezete és működése. Koenzimek (CoA, NAD + ) és prosztetikus csoportok (tiamin-pirofoszfát, liponsav, FAD) az enzimkomplexben. A piruvát dehidrogenáz multienzim komplex szabályozása anyagcsere intermedierekkel, valamint kináz és foszfatáz enzimekkel. A citromsav ciklus A glükóz lebontás aerob útja: citromsav ciklus. A citromsavciklus enzimei: citrát szintáz, akonitáz, izocitrát dehidrogenáz, szukcinil Co-A szintetáz, szukcinát dehidrogenáz, fumaráz, malát dehidrogenáz. Az α-keto-glutarát dehidrogenáz enzimkomplex felépítése. A citromsav ciklus szabályozási 5
pontjai. A citromsav ciklus központi helye az anyag- és energiaforgalomban. A citromsav ciklus intermedierjei, mint bioszintetikus utak prekurzorai. Kiegészítő (anaplerotikus) reakciók. A glioxilsav ciklus, előfordulása és jelentősége. A terminális oxidáció és oxidatív foszforiláció A biológiai energia felszabadítás: a terminális oxidáció. Redoxpotenciál és szabadenergia változás. Az energiát szolgáltató folyamatok lokalizációja és integrációja: a mitokondriumok szerepe. A mitokondriumok felépítése: protonés elektrontranszport a mitokondriumok belső membránjában. Az elektrontranszport lánc felépítése (NADH-Q reduktáz, CoQ, citokrom reduktáz, citokrom oxidáz). Az elektronok belépése NADH-ról és FADH 2 -ről. Az elektrontranszport inhibítorai. A proton pumpák és az elektron karrierek kapcsolata. A citokromok felépítése, konformációja. Az ATP szintetizáló komplex alegység szerkezete, az egyes alegységek funkciója. Az ATP szintézis mechanizmusa. Az ATP-ADP transzlokáz működése. A biológiai oxidáció egyes szakaszainak (főbb folyamatainak) áttekintése, jelentősége. A biológiai oxidáció energiamérlege. Az oxidatív foszforilálás szabályozása. Az extra-mitokondriálisan képződött NADH sorsa: ingák működése (malát - aszpartát és glicerol-foszfát - dihidroxi-aceton-foszfát rendszer). Fotosabb poliszacharidok anyagcseréje Poliszacharidok bekapcsolódása a glikolízisbe: a glükogén és a keményítő. A keményítő lebontása. A glükogén lebontása: a glükogén foszforiláz működése. A foszforiláz enzim szabályozása. A szabályozó kaszkád aktiválása és inaktiválása. A G fehérje szerkezete és szerepe. Elágazások megszüntetése a glükogén lebontás során. A foszfoglüko-mutáz és a glükóz-6-foszfatáz enzimek előfordulása, szerepe. 6