Biochemia. Podręcznik dla studentów medycznych studiów licencjackich - ebook

SŁOWO WSTĘPNE

Biochemia, chemia życia, jest bardzo obszerną nauką. Studiujący mają różny zakres wiedzy chemicznej, która w dużym stopniu ułatwia naukę biochemii. Z tego powodu przedstawiana tematyka jednym studentom może wydawać się łatwa, innym bardzo trudna. Ci drudzy muszą poświęcić trochę więcej czasu na naukę biochemii, a wówczas ich wyniki będą równie dobre, jak tych pierwszych.

W pierwszej części podręcznika znajdują się główne zagadnienia wymagane w programie studiów pielęgniarskich licencjackich i magisterskich prowadzonych na wydziałach pielęgniarskich akademii medycznych, natomiast w drugiej części zamieszczono przepisy wybranych doświadczeń. Wykonywane przez studentów w czasie zajęć praktycznych, mogą one ilustrować i przybliżać omawiane zagadnienia.

Przy poznawaniu zagadnień biochemicznych konieczne jest korzystanie z dostępnych opracowań uwzględniających współczesne osiągnięcia nauki w tym zakresie. Pomocne w studiowaniu biochemii mogą być również wykłady przybliżające przemiany metaboliczne zachodzące w organizmie człowieka, ich wzajemne powiązania i zaburzenia.

„Im więcej będziemy wiedzieć, tym bardziej będziemy mogli pomóc” – powiedzenie to ma szczególne znaczenie dla studiujących nauki medyczne, bo przecież nie ma nic cenniejszego niż zdrowie i życie człowieka.

Życzę wielu sukcesów na studiach i satysfakcji ze zdobywanej wiedzy.
Prof. dr hab. n. med. Kazimierz PasternakWPROWADZENIE

Podstawowe pojęcia chemiczne stosowane w biochemii

Biochemia (z greckiego bios – to znaczy życie), czyli chemia życia, jest nauką zajmującą się budową chemiczną organizmów żywych i procesami chemicznymi, którym te składniki podlegają.

Metabolizm – całość zachodzących procesów chemicznych. Wszystkie procesy zachodzą w podstawowej jednostce budującej organizmy żywe, jaką jest komórka.

Atom – najmniejsza jednostka budowy pierwiastka chemicznego. Składa się z jądra, które stanowią protony i neutrony, oraz elektronów otaczających i poruszających się wokół jądra.

Pierwiastek – substancja prosta składająca się z atomów o tej samej liczbie protonów (o tej samej liczbie atomowej).

Związek chemiczny – substancja jednorodna składająca się z co najmniej dwóch pierwiastków, które połączone są między sobą wiązaniami chemicznymi.

Stężenie procentowe roztworu oznacza liczbę gramów substancji rozpuszczonej zawartej w 100 g roztworu.

Mol – ilość substancji zawierająca taką samą liczbę cząsteczek (atomów), jaka znajduje się w 0,012 kg czystego izotopu węgla ¹²C.

Stężenie molowe wyraża liczbę moli substancji rozpuszczonej w 1 dm³ roztworu.

pH określamy jako ujemny logarytm dziesiętny ze stężenia jonów wodorowych. Roztwory obojętne mają pH = 7, kwaśne pH < 7, a zasadowe pH > 7.

Bufory są to mieszaniny słabych kwasów lub słabych zasad z ich solami. Zasadniczym zadaniem buforów jest utrzymywanie stałego pH. Przy dodaniu do buforu kwasu lub zasady jego pH zmienia się bardzo nieznacznie do momentu, kiedy wyczerpana zostanie pojemność buforowa.Rozdział 1 KOMÓRKA

W strukturze komórki można wyróżnić błonę komórkową, która otacza komórkę, oraz organella komórkowe. Zalicza się do nich jądro komórkowe, mitochondria, rybosomy, lizosomy i siateczkę endoplazmatyczną. Wszystkie te struktury znajdują się w cytoplazmie, która umożliwia wymianę składników i informacji między organellami komórkowymi.

Błona komórkowa

Błona komórkowa (błona cytoplazmatyczna) otacza komórkę, zapewniając integralność środowiska wewnętrznego. Oddziela ona środowisko wewnętrzne od zewnętrznego, umożliwiając jednocześnie komunikowanie się ze światem zewnętrznym. Jest to możliwe dzięki warstwowej budowie błony komórkowej, w której skład wchodzą głównie białka i lipidy. Według modelu singera struktura białkowo-lipidowa błony komórkowej jest utrzymana w formie „płynnej mozaiki”. Umożliwia to spełnianie funkcji zarówno izolacji środowiska wewnętrznego, jak i pełnej wymiany ze środowiskiem zewnętrznym. Błona komórkowa zbudowana jest w ten sposób, że warstwę zewnętrzną i wewnętrzną tworzą białka, natomiast środkowa składa się z dwóch warstw lipidowych, które stanowią jakby zrąb błony komórkowej. Są one ułożone stronami hydrofobowymi do siebie, natomiast strony hydrofilowe skierowane są na zewnątrz, w kierunku warstw białkowych.

Ryc. 1. Schemat budowy komórki

Zarówno białka, jak i lipidy błony komórkowej są w niej rozmieszczone asymetrycznie. Lipidy stanowią część „usztywniającą” błony komórkowej; największą rolę odgrywa tu cholesterol. Płynność warstwy lipidowej jest tym większa, im więcej zawiera ona tłuszczów z nienasyconymi kwasami tłuszczowymi. Białka ułożone są w ten sposób, że ich części hydrofobowe skierowane są w stronę wnętrza błony lipidowej, natomiast części polarne - w strony hydrofilowe błony komórkowej. W związku z płynną strukturą błony komórkowej białka mogą być zlokalizowane w jej wnętrzu, mogą przenikać część błony z wnętrza w strony hydrofilowe (zewnętrzną i wewnętrzną) lub mogą być przeszywające, przechodząc całą grubość błony.

Białka błony komórkowej zazwyczaj zbudowane są z kilku podjednostek i spełniają różne funkcje. Możemy zatem wyróżnić:

• białka integralne, których bieguny hydrofilne są ustawione na zewnątrz błony,

• białka nośnikowe, tworzące kanały aktywnego transportu cząsteczek przez błonę komórkową,

• białka tworzące kanały jonowe,

• białka receptorowe, wiążące swoiście cząsteczki chemiczne, zwane ligandami, takie jak przekaźniki chemiczne i inne substancje występujące w płynie zewnątrzkomórkowym.

Dzięki takiej strukturze błona komórkowa jest wprawdzie odizolowana od środowiska, jednakże zachowuje z nim kontakt i możliwość wymiany substancji. Woda oraz małe cząsteczki (np. jony K⁺) mogą swobodnie dyfundować przez błonę, podczas gdy duże cząsteczki przez nią nie przechodzą. Plazmolemma jest zatem półprzepuszczalna. Szereg większych, a nawet bardzo dużych cząsteczek (np. jony Na⁺, cukrowce, aminokwasy, białka) przenika przez błonę dzięki odpowiednim przenośnikom (nieraz na drodze skomplikowanych procesów). Niektóre z tych pierwiastków i związków komórka pobiera „chętnie”, innych zaś nie pobiera wcale. Plazmolemma decyduje zatem także o wybiórczości komórek.

Jądro komórkowe

Wewnątrz komórki, w cytoplazmie, znajduje się jądro komórkowe (po raz pierwszy opisane przez Browna w 1931 roku). Jest ono strukturą dużą, przeciętnie o średnicy 5-10 µm. Otoczone jest podwójną błoną, zwaną otoczką jądrową (kariolemmą), mającą liczne otwory, tzw. pory, o średnicy od 20 do 200 nm. Zawartość jądra (czyli karioplazma) komunikuje się przez nie z cytoplazmą. Głównym składnikiem jądra komórkowego jest DNA (kwas deoksyrybonukleinowy), ciasno owinięty helikalnie wokół białek histonowych i zorganizowany w kompleksy stanowiące chromosomy.

W jądrze komórkowym występują owalne bądź okrągłe twory, zwane jąderkami, w liczbie od jednego do kilku. Również zbudowane są z nukleoproteidów. W jąderku zachodzi synteza rybosomalnego kwasu rybonukleinowego (rRNA).

Jądro komórkowe jest strukturą złożoną, o przynajmniej trojakiej funkcji:

1) zawiera informację genetyczną zakodowaną w DNA,

2) steruje biosyntezą białka,

3) przekazuje informację genetyczną komórkom potomnym w procesach podziałów.

Mitochondria

Są to organella komórkowe o wydłużonym kształcie. Osiągają wielkość rzędu 1 µm (długość do 5 µm). Liczba mitochondriów w komórkach waha się przeważnie od kilku do kilkuset, w zależności od intensywności zachodzących w nich procesów metabolicznych. W budowie mitochondriów możemy wyróżnić cztery główne elementy:

• błonę zewnętrzną, która jest błoną cytoplazmatyczną oddzielającą mitochondrium od innych części komórki; dzięki obecności białka - poryny - jest bardziej przepuszczalna niż błona wewnętrzna;

• tzw. kompartment zewnętrzny zawarty między błoną zewnętrzną a wewnętrzną;

• błonę wewnętrzną, tworzącą liczne grzebienie wnikające do światła mitochondrium; zachodzą tu procesy fosforylacji oksydatywnej, czyli powstawania ATP;

• macierz (matriks), będącą koloidalnym roztworem białek, o składzie chemicznym podobnym do składu protoplazmy, również zawierającej łańcuch DNA (koduje niektóre białka mitochondrialne) i rybosomy; jest to miejsce utleniania kwasów tłuszczowych i przebiegu cyklu kwasu cytrynowego.

Mitochondria są zatem jak gdyby „siłowniami” komórki. Wytworzona w nich w procesie oksydatywnej fosforylacji energia dostarcza ciepła, a jej część zostaje zmagazynowana w postaci wiązań wysokoenergetycznych ATP.

Rybosomy

Rybosomy odgrywają zasadniczą rolę w procesie biosyntezy białka, w nich bowiem odbywa się proces translacji. Zbudowane są z rybonukleoproteidu, którego zasadniczy składnik, obok białek, stanowi rRNA (rybosomalny kwas rybonukleinowy). Rybosomy są ziarnistościami zbudowanymi z dwóch podjednostek: mniejszej - 40S i większej - 60S.

Siateczka endoplazmatyczna

Jest siecią połączonych ze sobą pęcherzyków błonowych, przeważnie spłaszczonych w cysterny. Dzieli się na dwie odrębne części. Szorstkie retikulum endoplazmatyczne (RER) ma od strony cytozolowej przyłączone rybosomy, które są miejscem biosyntezy białek błonowych i sekrecyjnych. W świetle RER występują enzymy przeprowadzające potranslacyjną modyfikację (glikozylację, proteolizę i inne) białek zarówno błonowych, jak i selerecyjnych. Gładkie retikulum endoplazmatyczne (SER), pozbawione rybosomów, jest miejscem biosyntezy fosfolipidów; zachodzi w nim wiele reakcji detoksykacyjnych.

Lizosomy

Są to organelle komórkowe kulistego kształtu o średnicy 0,2-0,4 um, otoczone pojedynczą błoną cytoplazmatyczną. Zawierają enzymy hydrolityczne, rozkładające substancje organiczne w środowisku wodnym. Podstawową funkcją lizosomów jest trawienie substancji wewnątrz- i zewnątrzpochodnych, które zetkną się z ich błoną. W szeregu wyspecjalizowanych komórek lizosomy związane są także z takimi procesami, jak wydzielanie, trawienie pozakomórkowe, obrona komórki przed czynnikami inwazyjnymi. Biologiczne znaczenie tych organelli można sprowadzić do biologicznej roli zawartych w nich enzymów. Jest to zestaw hydrolaz zdolnych do strawienia wszystkich składników komórkowych. Dostęp tych enzymów do wewnątrzkomórkowych substratów uniemożliwia błona lizosomalna. Jej uszkodzenie powoduje uwolnienie enzymów oraz samostrawienie komórki.

Peroksysomy

Są to organelle komórkowe o owalnym kształcie i średnicy 0,6-0,7 µm, otoczone pojedynczą błoną; wewnątrz mogą zawierać tzw. rdzeń. W peroksysomach stwierdzono obecność licznych enzymów, głównie oksydaz i katalaz. Peroksydaza i katalazy rozkładają nadtlenek wodoru zgodnie z reakcją:

H₂O₂ → H₂O + ½ O₂

Nadtlenekwodoru jest substancją szkodliwą dla organizmu żywego, więc jego obecność jest niepożądana. Peroksysomy pełnią zatem rolę odtruwającą. Ich liczba uzależniona jest od tego, czy w danej komórce w toku przemian metabolicznych powstaje nadtlenek wodoru i w jakiej ilości. W organizmie człowieka znaczna liczba peroksysomów występuje w komórkach wątrobowych – tutaj zachodzą bowiem najbardziej zróżnicowane przemiany metaboliczne, między innymi utlenianie kwasu moczowego i aminokwasów, w których to reakcjach powstaje nadtlenek wodoru.