A hem szerkezete BIOKÉMIA 2. előadás Oxigén transzport proteinek Dr. Kerékgyártó János DE, TEK, TTK Biokémiai Tanszék 2006. szept. 27 1 2 Mioglobin modell Mioglobin részletes szerkezete Röntgen elemzés alapján 3 4 Oxigén kötés Oxigén kötőhely modellje Mioglobin felszín 5 6 1
Kísérleti HEM Disztális hisztidin szerepe 7 8 Mioglobin-hemoglobin β-alegysége Hemoglobin és mioglobin összehasonlítása HEMOGLOBIN Négy peptidlánc (α 2 β 2 ) Szigmoid alakú telítési görbe Oxigén telítés ph függő (CO 2 ) 2,3 biszfoszfoglicerát csökkenti az oxigén affinitást Az oxigénkötés kooperatív MIOGLOBIN Egy peptidlánc Derékszögű hiperbola alakú telítési görbe Oxigén telítés széles tartományban kevéssé függ a ph-tól 2,3 biszfoszfoglicerát nem befolyásolja az oxigén affinitást Az oxigénkötés NEM kooperatív 9 10 Oxigén telítési görbék Oxigén telítési görbe jellemzése 11 12 2
ph hatása a hemoglobin oxigénkötő képességére Bohr effektus 13 14 A BPG szerepe Az oxigénkötő képesség életkori változása 15 16 Hemoglobin negyedleges szerkezetének változása Negyedleges szerkezet változása oxigén kötéskor 17 18 3
Deoxi-hemoglogin szerkezetének stabilizálása Konformáció változás oxigén kötés során 19 20 BPG kötés 21 22 Sarlósejtes anémia Fingerprinting 23 24 4
Fingerprinting Összetapadás 25 26 Sarlósejtes anémia előfordulása 27 5
BIOKÉMIA 3. előadás Biokatalizátorok Dr. Kerékgyártó János DE, TEK, TTK Biokémiai Tanszék 2006. okt. 4. Az enzimműködés általános jellemzői Katalitikus hatás Specifitás Szabályozottság Elsősorban fehérje (RNS, mint enzim) Energiaformák transzformálása Működéshez egyéb ágens lehet szükséges 1 2 Enzimműködés A katalitikus hatás Szénsav anhidratáz CO 2 + H 2 O HCO - 3 + H + Egy enzim molekula 10 5 /s db CO2 hd hidratálása Relatív sebesség a vérben 10 7 Az enzimműködés mechanizmusa Katalitikus hatás Specifitás Szabályozottság Elsősorban fehérje (RNS, mint enzim) Energiaformák transzformálása Működéshez egyéb ágens lehet szükséges 3 4 Szubsztrát specifitás Enzimműködés Specifitás Hexokináz - általános Glükokináz - specifikus Szubtilisin nem válogat Tripszin csak Arg vagy Lis Reakció specifitás Az enzimműködés mechanizmusa Katalitikus hatás Specifitás Szabályozottság Elsősorban fehérje (RNS, mint enzim) Energiaformák transzformálása Működéshez egyéb ágens lehet szükséges 5 6 1
Enzimműködés Szabályozottság Visszacsatolás (feed back) Előre csatolás (feed forward) Allosztérikus interakció Reguláló fehérjék stimulálnak vagy gátolnak (kalmodulin 17kd, Ca 2+ érzékelő, kalcium ion aktiválja) Kovalens módosítás Foszforiláció Proteolitikus hasítás Reverzibilis Feed-back kölcsönhatás (keresztgátlás) A B C D Z (végtermék) 7 8 Kovalens módosítás foszforiláció Kovalens módosítás proteolitikus hasítás Pl. tripszinogén - tripszin 9 10 Feed-forward aktiválás A B C D a C D enzimatikus reakciót Y aktiválja C Y Az enzimműködés mechanizmusa Katalitikus hatás Specifitás Szabályozottság Elsősorban fehérje (RNS, mint enzim) Energiaformák transzformálása Működéshez egyéb ágens lehet szükséges 11 12 2
DNS RNS fehérje RNS (ribozim) Fehérjék és RNS, mint enzimek Az enzimműködés mechanizmusa Katalitikus hatás Specifitás Szabályozottság Elsősorban fehérje (RNS, mint enzim) Energiaformák transzformálása Működéshez egyéb ágens lehet szükséges 13 14 Energiaformák transzformálása Fotoszintézis: fényenergia kémiai kötés Mitokondriumban: táplálék ATP mechanikai energia Az enzimműködés mechanizmusa Katalitikus hatás Specifitás Szabályozottság Elsősorban fehérje (RNS, mint enzim) Energiaformák transzformálása Működéshez egyéb ágens lehet szükséges 15 16 Közreműködő csoportok, faktorok Enzimek osztályozása oxidoreduktázok Prosztetikus csoport szorosan kötődik az enzimhez (hem) Kofaktor dialízissel l eltávolítható lí (fém ionok) Koenzimek szerves molekulák módosulnak, kapcsolt reakcióban regenerálódnak (NAD +, ATP) Oxidoreduktázok Oxidációs-redukciós reakciók >CH-OH csoport >C=O csoport >C=CH- csoport >CH-NH 2 csoport >CH-NH- csoport NADH és NADPH 17 18 3
Enzimek osztályozása transzferázok Enzimek osztályozása hidrolázok Transzferázok Csoportok átvitele Hidrolázok Hidrolitikus folyamatok C 1 csoport észterek >CO vagy CHO csoport glikozidkötés acilcsoport peptidkötés glikozilcsoport egyéb C-N kötés foszfátcsoport savanhidrid Kéntartalmú csoport 19 20 Enzimek osztályozása liázok Enzimek osztályozása izomerázok és ligázok Liázok Szubsztitúció kettőskötésre Izomerázok Izomerizációs reakciók >C=C< kötésre racemizációs reakciók >C=O kötésre >C=N- kötésre Ligázok Kötés kialakítása ATP energia rovására á C-O kötés C-N kötés C=N kötés C-C kötés 21 22 G = H T S Szabadenergia G szabadenergia változás H entalpia változás S entrópia változás G független a transzformáció mechanizmusától G nem befolyásolja a reakció sebességét Szabadenergia változása 1) G < 0 a reakció spontán végbemegy 2) G = 0 a rendszer egyensúlyban van 3) G > 0 a reakció spontán NEM megy végbe (koncentrációk szerepe) Kapcsolt reakció hatása: A B + C G 0 = 5 kcal/mol (20,9 kj/mol) B D G 0 = -8 kcal/mol (-33,5 kj/mol) A C + D G 0 = -3 kcal/mol (-12,6 kj/mol) 23 24 4
Az enzimhatás és az átmeneti állapot Az enzim NEM változtatja meg az egyensúlyi állapotot Az enzim gyorsítja az egyensúlyi állapot elérését Környezeti hatások ph, hőmérséklet, ionkoncentráció, ionkörnyezet aktivitás itá hő aktiváci ó denaturá ció ph, hőmérséklet 25 26 ES képződése Az enzimkatalizált reakció első lépése Aktiválási energia csökkentése Aktív hely Enzimspecifitás ahol a szubsztrát (és a prosztetikus csoport) beköt ahol találkoznak k a kötés kialakításához kítá áh szükséges csoportok ahol a szerkezet bontását végző csoportok találkoznak 27 28 Enzim aktív helye Az aktív hely (kulcs-zár) Viszonylag kis része az enzimnek Nyílás, zseb, rés 3D szerkezet A szubsztrát több gyenge kölcsönhatással kötődik A specifitás meghatározott elrendeződésnek az eredménye (aktív konformáció) 29 30 5
Az aktív hely (indukált illeszkedés) Kinetikai jellemzés 31 32 Michaelis-Menten modell k 1 k 3 E + S ES E + P k 2 v = k 3 [ES] 33 ES képződése és átalakulása ES képződési sebessége: ES = k 1 [E][S] ES átalakulási sebessége ES = (k 2 +k 3 )[ES] Stacionárius állapotban: k 1 [E][S] = (k 2 +k 3 )[ES] k 1 [E][S] [ES] = (k 2 +k 3 ) 34 Lineweaver-Burk ábrázolás Gátlás Irreverzibilis gátlás (pl. ideggázok hatása) Reverzibilis gátlások Kompetitív gátlás hasonló a szubsztráthoz Nem kompetitív gátlás 35 36 6
Kompetitív gátlás Nem kompetitív gátlás 37 38 Enzimkinetika Az enzimkatalízis energetikája A sebesség az átmeneti állapotban lévő molekulák számától függ. Az aktiváció ió szabad energiája: egységnyi idő alatt a rendszerbe juttatandó energiamennyiség az átmeneti állapot eléréséhez Alacsonyabb energiájú átmeneti állapot növeli a reakció sebességét Enzim aktivitás Standard enzim egység (U) Aktivitás Egységnyi idő alatt termékké alakított szubsztrát U: µmol/perc Specifikus aktivitás Aktivitás/fehérje mennyiség Katalitikus konstans Aktivitás/mol enzim 39 40 Ennyi mára 41 42 7
BIOKÉMIA 4. előadás A biológiai membránok Dr. Kerékgyártó János DE, TEK, TTK Biokémiai Tanszék 2006. okt. 11. A biológiai membránok jellemzői A membránok néhány molekula vastagságú rétegszerű struktúrák (60-100Å) Építőelemei: Lipidek Fehérjék Szénhidrátok A membránlipidek kis molekulasúlyú amfipatikus molekulák, vizes közegben spontán kettős réteget alkotnak. (Poláris molekulák számára átjárhatatlan.) 1 2 A biológiai membránok további jellemzői A membránok funkcióit specifikus fehérjék látják el (pumpák, csatornák, receptorok, energiaátalakítás). A membránt alkotó molekulákat nagyszámú nem kovalens kötés tartja össze. Aszimmetrikusak Folyadék szerkezetűek (irányított fehérjék és lipidek kétdimenziós oldata). 3 A lipidek általános jellemzői Vízben oldhatatlanok A sejtekből szerves oldószerekkel extrahálhatók Szerepük az élő szervezetben: Üzemanyag molekulák Energiatároló szerep Membránalkotók Hormonok, sejtközi hírvivő anyagok, vitaminok 4 A lipidek típusai Elszappanosíthatók Egyszerű lipidek (zsírok, növényi olajok, viaszok) Komplex lipidek Foszfolipidek Foszfogliceridek Sphingolipidek Sphingomielin Glikolipidek (nem elszappanosítható) A lipidek típusai Nem elszappanosíthatók Szteroidok (koleszterol) Terpének Zsíroldható vitaminok (A,D,E,K) Prosztaglandinok 5 6 1
Foszfogliceridek Zsírsavak 7 8 Zsírsavak térkitöltésű ábrázolása Foszfatidsav 9 10 Alkohol komponensek Membránalkotó foszfogliceridek 11 12 2
Sphingolipidek Glikolipidek 13 14 Koleszterin Micella 15 16 Kettősréteg A kettősréteg térkitöltéses ábrázolása 17 18 3
Lipid vezikulumok vizsgálata Permeábilitás a lipid kettősrétegen 19 20 SDS-akrilamid gélelektroforézis Membránfehérjék A: eritrocia B: a retina pálca sejt C: izomsejt 21 22 Freeze-fracture elektronmikroszkópia Fluoreszcens fotokioltásos visszarendeződés 23 24 4
Laterális és transzverzális diffúzió a membránban A membrán folyadék mozaik modellje A lipid kettősréteg oldószer és permeábilitási gát egyben. Speciális lipid kölcsönhatás fehérjékkel a fehérjefunkció f ellátásához. á áh A membránproteinek laterális diffúziója megengedett, a transzverzális nem. 25 26 A membrán folyadék mozaik modellje Glikoproteinek Glikoproteinek N-glikoproteinek O-glikoproteinek Előfordulásuk: citosol sejtmembrán extracelluláris folyadék (antitestek, véralvadási faktorok, hormonok, ) 27 28 Glikoproteinek szerepe Plazmamembrán Megtermékenyülés Immunvédelem Vírusos, baktériumos fertőzés Sejtnövekedés Sejt-sejt adhézió Vérrögök feloldódása Gyulladásos folyamatok Tumor antigének 29 30 5
Sejtfelszíni szénhidrátok szerepe Vércsoport antigének 31 32 Gram-negatív baktériumok lipopoliszacharidjának szerkezete Asialoglikoprotein receptor O-specifikus antigén n cor e Lipid A tfal külső mbránja Sejt me LPS 33 34 A glikoprotein glikánok funkciói Fiziko-kémiai funkciók Oldhatóság, elektromos töltés, tömeg, viszkozitás módosítása oldatban Fehérje folding kontrollja Fehérje konformáció stabilizálás Hőstabilitás, védelem a proteolitikus enzimek ellen Biológiai A glikoprotein glikánok funkciói (folyt.) Az glikoproteinek intracelluláris mozgásának és helyzetének szabályozása Ak keringésben lévő ő glikoproteinek i k élettartamának szabályozása Immunológiai tulajdonságok módosítása Enzimek, hormonok aktivitásának módosítása Sejtfelszíni receptorok Sejt-sejt kölcsönhatások 35 36 6
Biopolimerek információtároló képessége Az izomerek száma Peptidek, Nukleinsavak Szénhidrátok Monomer Z 1 1 Dimer Trimer ZZ ZZZ 1 1 11 120 Tetramer ZZZZ 1 1 424 Pentamer ZZZZZ 1 17 872 Monomer Z 1 1 Dimer YZ 2 20 Trimer XYZ 6 720 Tetramer WXYZ 24 34 560 Pentamer VWXYZ 120 2 144 640 N-glikánok szerkezete Magas mannóz tartalmú Man α1,2-manα1,6 Man α1,6 6 Man α1,2-manα1,3 Manβ1,4-GlcNAcβ1,4-GlcNAcβ1,N Man α1,2-manα1,2-manα1,3 37 38 N-glikánok szerkezete N-glikánok szerkezete Komplex Hibrid NeuNAcα2,6-Galβ1,4-GlcNAcβ1,6 NeuNAcα2,6-Galβ1,4-GlcNAcβ1,4-Man GlcNAcβ1 4 α1,66 NeuNAcα2,6-Galβ1,4-GlcNAcβ1,2 NeuNAcα2,6-Galβ1,4-GlcNAcβ1,4 Manβ1,4-GlcNAcβ1,4-GlcNAcβ1,N Man α1,3 NeuNAcα2,3-Galβ1,4-GlcNAcβ1,2 Manα1,6 Manα1,3 Man α1,66 NeuNAcα2,3-Galβ1,4-GlcNAcβ1,4 Man α1,3 GlcNAcα1,2 Manβ1,4-GlcNAcβ1,4-GlcNAcβ1,N 39 40 Diszacharidok Aldózok 41 42 7
Ketózok Aldózok gyűrűvé záródása 43 44 Piranóz gyűrű konformációja 45 46 47 8
Anyagcsere folyamatok BIOKÉMIA 5. előadás A metabolizmus alapjai Dr. Kerékgyártó János DE, TEK, TTK Biokémiai Tanszék 2006. okt. 18. Az élő fennmaradásának feltétele a környezettel történő Anyagcsere Energiacsere Információcsere Az élet energiaigényes jelenség Forrásai: A Nap sugárzó energiája (autotrófok fényindukált foszforilálás) Kész szerves vegyületek lebontása (heterotrófok) Egyszerű kémiai reakciók (kemoszintézis) 1 2 Energiaszükséglet Energiaigényes feladatok Sejtek, biomolekulák felépítése Anyagtranszport (ozmotikus munka a membránon keresztül) Mechanikus munkavégzés (mozgás) Az anyagcsere kétirányú Katabolizmus (lebontás) Anabolizmus (biomolekulák felépítése) Amfibolikus szakasz a két út egyensúlya Szabadenergia változása A kémiailag kapcsolt reakciók szabadenergia változása az egyedi reakciók szabadenergia változásának összege Kapcsolt reakció hatása: A B + C G 0 = 5 kcal/mol (20,9 kj/mol) B D G 0 = -8 kcal/mol (-33,5 kj/mol) A C + D G 0 = -3 kcal/mol (-12,6 kj/mol) 3 4 ATP Az ATP az energiavaluta a biológiai rendszerekben Az ATP foszforcsoportátvivő szerepe Az ATP hidrolízise csökkenti az ATP-n belüli negatív töltések közötti elektrosztatikus taszítást Az ADP és P i szerkezetét a rezonancia stabilizálja 5 6 1
Az ATP foszfor donor képessége Foszfát észter kötés hidrolízise -2,2 kcal/mól (-9,24 kj/mól) ATP hidrolízise -7,3 kcal/mól(-30 (-30,7 kj/mól) Nagyenergiájú foszfátkötés hidrolízise -14,7 kcal/mól (-61,9 kj/mól Az ATP hidrolízisének hatása Az ATP hidrolízise a kapcsolt reakció egyensúlyát 10 8 faktorral tolja el (natp 10 8n ) Kémiai i reakció Fehérje konformációs átmenete Ionok, molekulák transzfere a membránon át (koncentráció gradiens) 7 8 Elektron szállítók Nikotinamid-adenindinukleotid (NAD + ) Elektron szállítók Flavin-adenindinukleotid (FAD) NAD + + R-CH-R NADH + R-C-R + H + OH O FAD + R-CH 2 -CH 2 -R FADH 2 + R-CH=CH-R 9 10 Elektron szállítók Acil-csoport szállító A koenzim A az általános acil-csoport szállító Nikotinamid-adenin- dinukleotid foszfát (NADP + ) 11 12 2
Az energiakinyerés szintjei 13 Metabolikus folyamatok szabályozása Enzimek mennyiségének szabályozása (szintézis lebontás) Enzimek katalitikus aktivitásának szabályozása feed-back, feed-forward reverzibilis allosztérikus kontroll reverzibilis kovalens módosítás A bioszintézis és lebontás térben elválasztva zajlik Energiaállapot szabályozó hatása 14 Szénhidrát metabolizmus A glükóz kapcsolata a szénhidrát anyagcsere fő útvonalaival 1 3 laktát glükóz-6p glikogén 2 4 pentóz foszfát útvonal 1 glikolízis 2 glükoneogenézis 3 glikogenolízis 4 glikogenézis Szénhidrátok emésztése Szénhidrátok forrásai: Endogén források: -a vér glükóz tartalma (5mM) -májban és izomban glikogén Exogén források -a monoszacharidokat nem kell emészteni -a diszacharidokat a vékonybél felületi enzimei hidrolizálják -a poliszacharidokat először a nyál, majd a pankreász α-amiláza bontja 15 16 Glikolízis Kulcs szerkezetek 17 18 3
Kulcs reakciók Kulcs reakciók Foszforil transzfer (kinázok) Izomerizáció Intramolekuláris foszforil shift Dehidratálás Aldol hasítás, kondenzáció 19 20 A glikolízis folyamata A hexokináz konformációváltozása I. Indító szakasz 21 22 Izomerizáció A glikolízis folyamata Izomerizáció A glikolízis folyamata 23 24 4
A glikolízis folyamata Második foszforilálás fő szabályozó lépés II. Hasítási szakasz A glikolízis folyamata 25 26 Izomerizáció A glikolízis folyamata A glikolízis folyamata III. Oxido-redukciós és foszforilációs szakasz 27 28 ATP keletkezése A glikolízis folyamata A glikolízis folyamata Piruvát és ATP keletkezése 29 30 5
Időnyerés A glikolízis energiamérlege 31 32 Időnyerés A piruvát sorsa 33 34 A fruktóz belépése a glikolízisbe A galaktóz belépése a glikolízisbe Galaktóz + ATP galaktóz-1p + ADP + H + 35 36 6
UDP galaktóz 4 epimerizáció 37 38 A glikolízis szabályozásának kulcs enzime F-2,6-BP szerepe A glikolízis fő feladatai ATP szolgáltatása Bioszintézishez építőelemek [AMP] csökkenti az ATP inhibiáló hatását [citrát] növeli az ATP inhibiáló hatását H + inhibitor 39 40 Az F-2,6-BP szint szabályozása A hexokináz szabályozása A hexokináz inhibítora a glükóz-6- foszfát (glükokináz szerepe) 41 42 7
A piruvátkináz szabályozása 43 44 8
BIOKÉMIA 6. előadás A citrát ciklus és az oxidatív foszforiláció A ciklus fogalma Dr. Kerékgyártó János DE, TEK, TTK Biokémiai Tanszék 2006. okt. 25. 1 2 A citrát ciklus helye A citrát ciklus áttekintése 3 4 A citrát kialakulás Izocitrát kialakulása A citrát ciklus indulása 5 6 1
α-ketoglutarát képződése Nagyenergiájú foszfát keletkezése α-ketoglutarát + NAD + + CoA Succinyl CoA + CO 2 + NADH Succinyl CoA + P i + GDP Succinate + GTP + CoA 7 8 Oxálacetát regenerálása A citrát ciklus sztöchimetriája Acetyl CoA + 3 NAD + + FAD + GDP + P i + 2H 2 O 2CO 2 + 3 NADH + FADH 2 + GTP + 2H + + CoA 9 10 A teljes citrát ciklus Piruvát dehidrogenáz komplex Pyruvate + CoA + NAD + Acetyl CoA + CO 2 + NADH 11 12 2
A citrát ciklus szerepe a bioszintézisben Az izocitrát szerepe 13 14 A piruvát dehidrogenáz szabályozó szerepe A citrát ciklus szabályozása 15 16 Az oxidatív foszforiláció helye ATP szintézis és proton fluxus 17 18 3
Elektronátvitel Elektrontranszport 19 20 Vas-kén komplexek Koenzim Q 21 22 Elektronátvitel a citokróm reduktázban Proton pumpa 23 24 4
ATP szintáz Glicerol foszfát inga 25 26 ATP-ADP transzlokáz A glükóz teljes oxidációja Glükóz + 36ADP + 36P i + 36H+ + 6O 2 6CO 2 + 36ATP + 42H 2 O 27 28 Respirációs szabályozás Proton gradiens mint szabadenergia forma 29 30 5
31 6
BIOKÉMIA 7. előadás Glükoneogenezis és pentózfoszfát útvonal A helyzet fokozódik ezért először ismételünk, mert az ismétlés a tudás anyja, nagyanyja, Dr. Kerékgyártó János DE, TEK, TTK Biokémiai Tanszék 2006. november 8. 1 2 Az F-2,6-BP szint szabályozása A glikolízis lépései 3 4 A hexokináz szabályozása A piruvátkináz szabályozása A hexokináz inhibítora a glükóz-6- foszfát (glükokináz szerepe) 5 6 1
Glükoneogenezis A glikolízis nem megfordítható lépései Glükóz + ATP Glükóz-6-foszfát + ADP hexokináz foszfofruktokináz Fruktóz-6-foszfát + ATP Fruktóz-1,6-biszfoszfát + ADP Foszfoenolpiruvát + ADP Piruvát + ATP piruvátkináz 7 8 Glükoneogenezis nem megfordítható lépései Piruvát + CO 2 + ATP + H 2 O Oxálacetát + ADP + P i + 2H + Oxálacetát + GTP Foszfoenolpiruvát + GDP + CO 2 Piruvát foszfoenolpiruvát Piruvát + CO 2 + ATP + H 2 O Oxálacetát + ADP + P i + 2H + Oxálacetát + GTP Foszfoenolpiruvát + GDP + CO 2 Piruvát + ATP + GTP + H 2 O Foszfoenolpiruvát + ADP +GDP + P i + 2H + G 0 + 0,2 kcal/mol ( +7,5 kcal/mol) 9 10 Glükoneogenezis nem megfordítható lépései A glükolízis és glükoneogenezis különböző enzimei fruktóz-1,6-biszfoszfatáz Fruktóz-1,6-biszfoszfát + H 2 O fruktóz-6-foszfát + P i glükóz-6-foszfatáz Glükóz-6-foszfát + H 2 O Glükóz + P i GLÜKOLÍZIS Hexokináz Foszfofruktokináz Piruvátkináz GLÜKONEOGENEZIS Glükóz-6- foszfatáz Fruktóz-1,6-16 biszfoszfatáz Piruvát karboxiláz Foszfoenolpiruvát karboxikináz 11 12 2
Biotin Az aktivált széndioxid szállítója A piruvát karboxilálása Mg 2+, AcCoA Biotin-enzim + ATP +HCO 3- CO 2 ~biotin-enzim + ADP + P i Mn2+ CO 2 ~biotin-enzim + piruvát biotinenzim + oxálacetát 13 14 A piruvát karboxiláz aktiválása A piruvát karboxilázt az AcCoA aktiválja glükoneogenezis sztöchimetrikus intermedierje oxálacetát citrát ciklus katalitikus intermedierje A piruvát karboxiláz aktiválása nagy [AcCoA] több oxálacetátra van szükség feltöltő reakció nagy [ATP] kicsi [ATP] oxálacetát glükoneogenezis oxálacetát citrát ciklus 15 16 A piruvát karboxiláz lokalizációja Oxálacetát foszfoenolpiruvát 17 18 3
A glükoneogenezis sztöchiometriája 2 piruvát + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 6 H 2 O glükóz + 4 ADP + 2 GDP + 6 P i + 2 NAD + + 2H + G 0-9 kcal/mol Szabályozás A glükoneogenezis és a glikolízis ellentétesen szabályozott A glikolízis megfordítottjának sztöchiometriája: 2 piruvát + 2 ATP + 2 NADH + 2 H 2 O glükóz + 2 ADP + 2 P i + 2 NAD + + 2H + G 0 + 20 kcal/mol piruvát kináz +F16bf -ATP piruvát karboxiláz + AcCoA -ADP 19 20 Szabályozás Cori kör 21 22 NADPH A pentózfoszfát útvonal lokalizációja és szerepe A pentózfoszfát útvonal reakciói a citoszolban játszódnak le Szerepe: NADHP előállítása más reakciókhoz Ribóz-5-foszfát előállítása ribóz tartalmú molekulák szintéziséhez Egyensúly az előbbi kettőben Piruvár szintézis és ATP előállítása 23 24 4
Oxidatív szakasz Pentóz foszfát útvonal Nem oxidatív szakasz Pentóz foszfát útvonal izomerizáció Gl6f-dehidrogenáz Laktonáz 6fg-dehidrogenáz Foszfopentóz izomeráz 25 26 Epimerizáció A pentóz foszfát útvonal és a glikolízis kapcsolata transzketoláz C 5 + C 5 C 3 + C 7 transzaldoláz C 7 + C 3 C 4 + C 6 transzketoláz C 5 + C 4 C 3 + C 6 3 C 5 2 C 6 + C 3 27 28 Nem oxidatív szakasz (5 + 5) Nem oxidatív szakasz (7 + 3) 29 30 5
Nem oxidatív szakasz (5 + 4) Pentóz foszfát útvonal (összegzés) 31 32 Pentóz foszfát útvonal Pentóz foszfát útvonal 33 34 Pentóz foszfát útvonal Pentóz foszfát útvonal 35 36 6
A NADPH szerepe 37 38 39 7
BIOKÉMIA 8. előadás Glikogén metabolizmus BIOCHEMICAL PATHWAYS Dr. Kerékgyártó János DE, TEK, TTK Biokémiai Tanszék 2006. november 15. Kb. 2 hét múlva érkezik 1 2 Mai kérdések: Tour d France Mi van kevesebb? Glükóz, vagy oxigén? Mit történik, ha nincs elég glükóz? Mit történik, ha nincs elég oxigén? 3 4 A glikogén metabolizmus A rendelkezésre álló energia: 40 kcal (70 kg testsúly esetén átlagosan) A glikogénben tárolt energia: 600 kcal (Napi energiaszükséglet: kb 1500 kcal) A glikogén metabolizmus szabályozása Hormonális szabályozás általános törvényszerűségeket mutat Ciklikus AMP kiemelt szerepe Az enzimek reverzibilis foszforilálása A vér cukorszintjének szabályozása Tartalék tápanyag felszabadítása 5 6 1
A glikogén szerkezete A glikogén szerkezete 1-6 elágazás Az elágazás szerepe: oldékonyság, mobilizálhatóság sebessége 7 8 Foszforilitikus hasítás Piridoxál foszfát (PLP) Prosztetikus csoport 9 10 A PLP katalitikus szerepe Glikogén lebontás 11 12 2
Foszfoglükomutáz UDP-glükóz A glükóz aktivált formája 13 14 UDP glükóz szintézise Glikogén szintáz UDP-glükóz foszforiláz Glükóz-1-foszfát + UTP UDP-glükóz + PP i PP i + H 2 O 2 P i Glükóz-1-foszfát + UTP + H 2 O UDP-glükóz + 2 P i 15 16 A glikogén szintézis sztöchiometriája (1) Glükóz-6-foszfát Glükóz-1-foszfát (2) Glükóz-1-foszfát + UTP UDP-Glükóz + PP i (3) PP i + H 2 O 2 P i (4) UDP-Glükóz + glikogén n glikogén n+1 + UDP (5) UDP + ATP UTP + ADP Glikogén metabolizmus hormonjai + H 3 N-His-Ser-Glu-Gly-Thr-Phe-Thr-Ser-Asp-Tyr 10 -Ser-Lys-Tyr-Leu-Asp-Ser-Arg-Arg-Ala-Gln- 20 -Asp-Phe-Val-Gln-Trp-Leu-Met-Asn-Thr-COO - 29 Glükóz-6-foszfát + ATP + glikogén n + H 2 O glikogén n+1 + ADP + 2 P i Inzulin polipeptid hormon Glucagon 17 18 3
Ciklikus AMP Foszforiláz aktiválása 19 20 A glikogén foszforiláz szabályozása Foszforiláz A 21 22 A glikogén lokalizációja Foszforiláz kináz aktiválása 23 24 4
Glikogén metabolizmus szabályozása Protein foszfatáz I szerepe Aktív Phosporilase kinase phosphorilated Aktív Inaktív Phosporilase kinase dephosphorilated Inaktív Glycogen synthase phosphorilated Inaktív Glycogen synthase dephosphorilated Aktív 25 26 A Foszfatáz-1 szabályozása Foszforiláz A, glükóz szenzor Foszfatáz-1-et blokkolja a foszforilált inhibitor-1 Ciklikus AMP-t a foszfodiészteráz kikapcsolja Ciklikus k AMP aktiválja a protein kinázt Az inzulin szerepe 27 28 Mai kérdések: Mi van kevesebb? Glükóz, vagy oxigén? Mit történik, ha nincs elég glükóz? Mit történik, ha nincs elég oxigén? 29 30 5
BIOKÉMIA 9. előadás Zsírsav metabolizmus A zsírok szerepe Dr. Kerékgyártó János DE, TEK, TTK Biokémiai Tanszék 2006. november 22. 1 2 A triacil glicerin szerkezete Zsírsav láncok 3 4 Zsírsejt Lipáz enzim szabályozása 5 6 1
A glicerin sorsa Knoop kísérlet 7 8 Zsírsavak aktiválása Acil karnitin 9 10 Zsírsavak szállítása β-oxidációs útvonal 11 12 2
Zsírsav lebontás Telítetlen zsírsav lebontása 13 14 Telítetlen zsírsav lebontása Keton testek képződése 15 16 3H3M-glutaril CoA reduktáz Acetoacetát szerepe 17 18 3
A zsírsav szintézis meghatározó lépése Az ACP és a CoA 19 20 Zsírsav szintézis Zsírsav szintáz 21 22 Koenzimek kötése Az enzim acilezése +2CoA MaCoA AcCoA 23 Ma Ac 24 4
Az enzim acilezése Kondenzáció Ma AcetoAc Ac 25 26 Redukció (2) Redukció (2) AcetoAc Butyryl 27 28 1. Ciklus vége 2. Ciklus indítása Butyryl Butyryl MaCoA 29 30 5
2. Ciklus indítása Utolsó ciklus vége Ma Palmitoyl Butyryl 31 32 Utolsó ciklus vége AcCoA transzfer Palmitoyl 33 34 Zsírsav szintézis szabályozása A zsírsav szintézis sztöchiometriája AcCoA + 7 MaCoA + 14 NADPH + 7 H + palmitát + CO 2 + 14 NADP + + 8 CoA + 6 H 2 O 7AcCoA+7CO 7 CO 2 +7ATP 7 MaCoA + 7 ADP + 7 P i + 7 H + 8 AcCoA + 7 ATP + 14 NADPH palmitát + 14 NADP + + 8 CoA + 6 H 2 O + 7 ADP + 7 P i 35 36 6
37 7
BIOKÉMIA 10. előadás Aminosav lebontás és az urea ciklus Dr. Kerékgyártó János DE, TEK, TTK Biokémiai Tanszék 2006. november 29. Fehérjék és aminosavak lebontása Napi fehérje felhasználás: 100 g evés 400 g testfehérje lebontás 400 g testfehérje felépítés 100 g lebontás/ürítés Aminosavak funkciói: Szervezet fehérjéinek építőkövei Energiaforrások (glükoneogenezis, citrát ciklus) Változatos funkciójú biomolekulák prekurzorai ( hormonok, porfirin, purin, pirimidin, koenzimek, alkaloidok) 1 2 Fehérjék és aminosavak lebontása Aminosav anyagkészlet néhány mg, rögtön továbbalakul. Esszenciális aminosavak: Biokémiai szempontból: emberben hiányzik a szintézisút Élettani szempontból: fel kell venni a táplálékkal Aromások (Phe, Trp), elágazó (Tre, Leu, i- Leu, Val) S tartalmú (Met) bázikus (Lys) Szemiesszenciálisak: Csak egyik szempont teljesül Tyr, Cis,Arg, His, Ser, Gly Fehérjék és peptidek lebontása Táplálék fehérjék hidrolízise: proteáz enzimek, semleges ph, (de: pepszin 1-2) Endopeptidázok Exopeptidázok: Aminopeptidáz karboxipeptidáz Aktív centrum jellege szerint Szerin proteázok Cink proteázok Karboxi- proteázok Specifitás Kimotripszin: apoláros As. mellett (Leu, Tyr, Phe) Tripszin: Arg, Lys Elasztáz: Gly, Ala, Leu, Ser 3 4 Proteázok működésének szabályzása Proteázok aktiválódása: inaktív zimogének- limitált proteolízis proteáz inhibítorok Pankreász: zimogének szintézise kiválasztás: szekretin, kolecisztokinin elégtelen működés emésztési zavar túlműködés önemésztés akut pankreatitis Zimogének aktiválódása Duodenum: enteropeptidáz termelődik tripszinogén tipszin kimotripszinogén, proelasztáz, prokarboxipeptidáz kimotripszin elasztáz karboxipeptidáz 5 6 1
Fehérje lebontás a sejtekben Fehérjék élettartama a sejtben: Rövid: emésztő enzimek, hormonok, antitestek, metabolizmus seb. meghat. enzimei Hosszú: szerkezeti szerep (kollagén, miozin) Szerkezeti elemek szerepe az élettartamban: Ubiquitin jelölés Aminosavak oxidációja: Lys, Arg, Pro PEST szekvencia: Pro, Glu, Ser, Thr N-terminális Phe, Leu, Tyr, Trp, Lys, Arg Inhibítorok: Pankreász tripszin inhibítor: fehérje típusú α1-proteináz inhibítor: májban baktérium szerin proteáz gátló Táplálék fehérjék Biogén aminok Aminosavak átalakulásai glükóz Endogén aminosavak Extrarceluláris aminosavkészlet Intracelluláris aminosavkészlet Acil-CoA α-keto-karbonsavak Fehérjék NH 4 + N-tartalmú biomolekulák urea Citrátkör intermedierek 7 8 Transzaminálás, oxidatív dezaminálás Glutamát dehidrogenáz 9 10 Nitrogén eltávolítása PLP prosztetikus csoport 11 12 2
Transzaminálás Aszpartát aminotranszferáz (glutaminsav-oxálacetát transzamináz) Glu PLP 13 14 Aszpartát aminotranszferáz Szerin és treonin dezaminálása A β hidroxi amino savak, a szerin és a treonin, közvetlenül is képesek dezaminálódni Szerin piruvát + NH + 4 Treonin α-ketobutirát + NH + 4 15 16 Ammónia transzportja urea szintézishez Urea ciklus Szövetek Máj Izom Glutamát Glutamát Urea Aminosavak NH 3A TP Glutamin szintetáz Glutamináz NH 4 + NH 4 + Glutamin Glutamin Glu αkg αkg Glu Piruvát Alanin Alanin Piruvát Glükóz-alanin ciklus Glükóz Glükóz 17 18 3
Karbamoil foszfát szintézise Ciklus lépései (1) aktiválás Mint a glükoneogenezisben aktiválás -mitokondriumban -sebesség meghatározó -Karbamil-foszfát szintáz I -(karbamil-foszfát szintáz II, pirimidin nukleotidok szintézise a citoszolban, glutamin az amino donor) 19 Ornitin transzkarbamoiláz enzim Citrullin képződik az ornitin γ-amino csoportjára történő karbamoil csoport átvitellel. Citrullin transzport a citoplazmába 20 Ciklus lépései (2) Ciklus lépései (3) Argininoszukcinát szintetáz enzim A citrullin kondenzációja aszpartáttal arginoszukcinátot eredményez ATP felhasználás irreverzibilis Pirofoszfatáz enzim 21 Arginoszukcinát liáz enzim Elhasítja az arginoszuckinátot, arginin és fumarát képződik. Arg szemiesszenciális aminosav 22 Ciklus lépései (4) Az urea és citrát ciklusok kapcsolata Krebs bicycle Argináz enzim Az arginin hidrolizálódik urea + a kiindulási ornitin, zárul a kör. az ornitin visszajut a mitokondrium mátrixába urea vérkeringésbe kerül, vese kiválasztja 23 24 4
Az ammónium ion toxicitása Glükogén aminosavak Az aminosav szénlánc sorsa Ketogén aminosavak Mitokondrium és oxigén is kell Forrásai: glutamát dehidrogenáz, specifikus dezaminálási reakciók (szerin), glutamináz, aszparagináz, vékonybél baktériumai, nukleotid anyagcsere. -átjut a vér agy gáton - csökkenti az αkg szintet - csökken a citrát ciklus kapacitása - energiahiány 25 26 C3 aminosav család C4 Aminosav család Aszpartát + α-ketoglutarát oxálacetát + glutamát α-ketobutirát Aszpartát fumarát (urea ciklus) Aszparagin Aszpartát + NH 4 + aszparagináz 27 28 C5 aminosav család Succinil CoA szerepe Mint páratlan számú zsírsavak lebontása! 29 30 5
Propionil CoA Metilmalonil CoA átalakulás Metilmalonil CoA Succinil CoA átalakulás Racemáz Mutáz B 12 koenzim Karboxiláz biotin 31 32 Átrendeződés, Redox reakciók B 12 koenzim szerkezete 5-dezoxi-adenozil Aromás oldalláncú aminosavak lebontása Fenil-piruvát, fenil-acetát, fenil-laktát Fenilalanin hidroxiláz: hiánya fenilketonuria transzamináz corrin gyűrű oxigenáz Homogentizát oxidáz: hiánya alkaptonuria izomeráz dimetil-benzimidazol 33 34 Aminosav anyagcsere veleszületett rendellensségei Alcaptonuria A homogentizáte oxidáz enzim hiánya Az első felismert enzimopátia egy gén egy enzim koncepció kiindulópontja A felhalmozódó homogentizinsav arthritist okoz, sötét vizelet Aminosav anyagcsere veleszületett rendellensségei Fenilketonuria Fenilalanin hidroxiláz enzim hiánya (klasszikus) Tetrahidrobiopterin vagy dihidrobiopterinképzés hiánya (kofaktor kt deffektusos) Szellemi fogyatékosságot okoz a felhalmozódó fenil- piruvát, - laktát és -acetát Fontos a korai diagnózis, csecsemők szürése 35 36 6
Aminosav anyagcsere veleszületett rendellensségei Jávorfaszörp betegség (Maple syrup urine disease) A leucin lebontás defektusa, keto-izo-kaproát-dehidrogenáz hiány (Az elágazó dehidrogenáz aktivitás hiánya) Megnő az elágazó α ketosavak mennyisége (branched-chain keto aciduria) Súlyos mentális károsodás, halál Kimutatás vizeletből 37 38 7
BIOKÉMIA záróelőadás Olvassuk az élet könyvét, de értjük-e? Dr. Harangi János Biokémiai Tanszék 2006. december 13. 1 2 Mi is az a bioinformatika? A bioinformatika helye Informatika a biológiai alkalmazásokban Az informatika szükségessége Gének: a genetikai információ könyve 4 betű Olvashatjuk, de nem értjük teljesen Junk DNS > 98% - a junk DNS szerepe Adatbázisok (kereshetőség, publikusság) 3 4 HGP 1990-2003 Génszekvenálás Informatikai módszerek bevezetése 5 6 1
HGP A humán genom projekt tanulságai Az emberi genom kb. 30000 gént tartalmaz, ezeknek több, mint fele ismeretlen Az emberek több, mint 99,9%-ban azonos géneket tartalmaznak Az emberi génkészlet több, mint fele nagy hasonlóságot mutat más fajok génjeivel 7 8 Genomika Humán Genom Projekt Genetika és informatika A szerkezet (szekvencia, 3D) Funkció Szekvencia analízis Filogenetikai összefüggések Vizualizáció Kódolt fehérjék Proteomika Proteom az élő sejt fehérjekészlete Elsődleges szerkezet Másodlagos szerkezet Folding Funkciók (enzimatikus aktivitás) Protein engineering In-silico drug development 9 10 A proteomika hosszútávú hatása Today's arsenal of drugs, targets only 500 or so different proteins. (Dr. M. Uhlen Vol 309, Issue 5739, 1310, 2005 ) Proteomikai technológiák Tömegspektrometria Protein azonosítás Biokémiai technikák Bioinformatika 11 12 2
The HUPO World Glikomika Canada USA Latin America Sweden United Kingdom Russia Germany France Italy China Korea Japan Asia Oceania Australia Glikom az élő sejt szénhidrát készlete Szénhidrát adatbázis Az élő sejtben lévő proteinek több, mint fele szénhidrátot t is tartalmaz t Szénhidrátok szerkezet Primer szerkezet (elágazások) 3D szerkezet Funkciók 13 14 Biopolimerek információtároló képessége Az izomerek száma Peptidek, Nukleinsavak Szénhidrátok Monomer Z 1 1 Dimer Trimer ZZ ZZZ 1 1 11 120 Tetramer ZZZZ 1 1 424 Pentamer ZZZZZ 1 17 872 Monomer Z 1 1 Dimer YZ 2 20 Trimer XYZ 6 720 Tetramer WXYZ 24 34 560 Pentamer VWXYZ 120 2 144 640 15 Consortium for Functional Glycomics 16 Consortium for Functional Glycomics Consortium for Functional Glycomics 17 18 3
Consortium for Functional Glycomics links to PDBs Consortium for Functional Glycomics search 19 20 Glikom és genom Számítástechnikai eszközök Glycome Glycosidases, Glycosyl transferases, Carbohydrate modifying enzymes, Lectins, CBPs, Proteome Transcriptome Számítástechnikai hardver A lehető legnagyobb sebesség Minél több processzor Adatbázisoktól és számítástól függő memória és háttértároló Nagysebességű kapcsolat Genome 21 22 Számítástechnikai eszközök Számítástechnikai szoftver Statikus számítások Molekuláris dinamika Energia minimum Dokkolás Kombinált fehérja-szénhidrát számítás Biotechnológiai cégek szerepe A bioinformatika perspektívái A genetikai információ kiteljesedése A junk-dns megértése Genetikai tervezés Személyre szabott egészségügy In-silico gyógyszertervezés Hatékony molekula Mellékhatások ismerete 23 24 4
A bioinformatika lehetőségei Genography projekt Enzimtervezés bioszintézis laboratóriumban Genetikai szabályozás...... Az emberiség eredete A népvándorlások bizonyítása A genetikai azonosság és különbözőség Etikai kérdések 25 26 Genography projekt Genography projekt 27 28 Genography projekt Genography projekt 29 30 5
Genography projekt Genography projekt 31 32 A (bio)informatika hatása az emberi evolúcióra Biokémia oktatási anyag btcs.ttk.unideb.hu Előadások anyaga CD-n janos.harangi@unideb.hu id h címre érkezett kérésekre az új webhelyről értesítés 33 34 BIOKÉMIA ÍRÁSBELI VIZSGA A kb. 20-30 legfontosabb metabolizmus intermedier közül 5 képlete (minimum 3 jó, ha nem, itt megáll a javítás) 2 kifejtő kérdés (pl. zsírsavak lebontása, pentóz foszfát útvonal). Mindkettőhöz írni kell, ha egyik hiányzik, a dolgozat nem elfogadható Vizsgaidőpontok Halasztás Írásbeli vizsgához Praktikus tanácsok Index Írószerszám 3 napi hideg élelem (csoki, üdítő) Kényelmes ruházat Puskát készíteni lehet (esetleg hasznos is) Használni a vizsga alatt TILOS 35 36 6
37 7