Bioķīmija 1un Bioķīmijas pamati Lekciju kurss Bioloģijas fakultātes bakalaura studiju programmas A daļai un Medicīnas fa

1. Bioķīmija 1un Bioķīmijas pamatiLekciju kurss Bioloģijas fakultātes bakalaurastudiju programmas A daļaiun Medicīnas fakultātes profesionālo studiju A daļai 1.lekcija Saturs: Bioķīmijas literatūra. Svarīgākie jautājumi.Biomolekulas. Proteīni.Aminoskābes, to īpašības. Proteīnu pirmējā, otrējā , trešējā un kvartārā struktūra. Lektors: Prof. Viesturs Baumanis Molekulārās bioloģijas (bioķīmijas) katedra, 2012.g.

2. Biomolekulu vispārējs raksturojums • Ķīmiskie elementi • Monomēri • Šūnu ķīmiskais sastāvs • Biomolekulu daudzveidība

3. Dažu elementu daudzums dzīvajos organismos ir proporcionāls to izplatībai zemes garozā, bet dažu (attēls no Alberts et al. Molecular Biology of the Cell)

4. No neliela skaita būvblokiem veidojas daudzveidīgas biomolekulas (attēls no Alberts et al. Molecular Biology of the Cell)

5. Baktērijas šūnas ķīmiskais sastāvs (attēls no Alberts et al. Molecular Biology of the Cell)

7. Baktēriju un eikariotu šūnu ķīmiskā sastāva salīdzinājums (tabula no Alberts et al. Molecular Biology of the Cell)

8. Biomolekulas: Elementārsastāvs: N,C,O atšķirība – maz Si Skaits organismā: E.coli - 5000, Cilvēks - 5.000.000 (?), Dzīvā dabā: 1x1010-12, Pazīstamas ~ 1.000.000 Izpētītas ~ ~ 5.000 Biomolekulas ir polimēri veidoti no nedaudz komponentiem: 20 aminoskābes, 8 nukleotidi

9. Proteīnu veidu skaita aprēķināšana: • Genoma lielumi ir 106 – 1011 bp • Gēnu skaits organismā - 103 – <105 • Organismu skaits uz zemes – 13,6.106 • 4. Proteīnu skaits(Eucaria, Bacteria, Archaea)- >1010 – 1012 • Proteīnu konformācijas veidi un to evolūcija • Proteīnu sekvenču domēnu skaits ~ 105, kuras pieder apmēram 10.000 struktūru ģimenēm • Proteīni ar zināmu struktūru - 103 • Proteīnu klasifikācijas datu bāzes: CATH, SCOP (structural classification of proteins)(PNAS,2006,103,14056-14061)

10. Proteīnu bioķīmija 1. Daudzums dažādos audos 2. Elementārsastāvs 3. Proteīnu daudzuma noteikšana 4. Aminoskābes

11. Proteinu daudzums dažādos dzīvās dabas objektos muskuļaudi 18-23% asins plazma 6- 8% eritrocīti 35-40% smadzenes 7- 9% piens 3% biezpiens 30% Cilvēkam aptuvenā proteinu uztura norma dienā= ķermeņa masa kilogramos = proteina daudzums gramos t.i. 50-100 g proteīna dienā

12. Proteīnu elementārsastāvs C 50 -55% O 21 - 23% H 6 - 8% S 0 - 3% N 15- 17% vidēji 16%

13. Pēc slāpekļa daudzuma var noteikt proteīnu daudzumu (Kjeldāla metode,1897.g.) Metodei ir sekojoši etapi: 1. Proteinus ar sērskābi mineralizē un slāpekli uztver kā amonija sulfātu 2. Amonjaku izspiež ar sārmu un uztver titrētā sērskābes pārākumā 3. Sērskābes pārākumu attitrē Ja 100g proteīnu satur 16 g slāpekļa (16%) Tad X g proteīnu saturēs A g slāpekļa Proteīnu daudzums=A x 100/ 16 = A x 6,25

14. Proteīnu daudzuma noteikšanai ir daudzas metodes 1. Pēc optiskā blīvuma, ko dod peptīdu saites 2. Ķīmiskās reakcijas uz peptīdu saiti 3. Ķīmiskās reakcijas uz kādu aminoskābi 4. Krāsvielu sorbcija uz proteīniem 5. Nefelometriski - pēc duļķojuma 6. Refraktometriski 7. Pēc slāpekļa daudzuma (Kjeldāla metode)

15. Aminoskābes

16. Kopējās proteinogēno aminoskābju īpašības 1. Visas ir  - aminoskābes(izņemot prolīnu) 2. Visas satur asimetrisko oglekļa atomu (izņemot glicīnu) 3. Visas ir optiski aktīvas (izņemot glicīnu) 4. Visām piemīt amfotēras īpašības (eksistē kā amfijoni)

17. Visām piemīt amfotēras īpašība (eksistē kā amfijoni) – var piesaistīt un atdot protonu

19. Optisko aktivitāti nosaka polarimetriski • grādi x 100 • Optiskā aktivitāte : []D= • Dm x g/100 ml

20. Aminoskābju klasifikācija (1.) Proteinogēnās aminoskābes var klasificēt dažādi: I. Pēc sānu virknes uzbūves: 1.alifātiskās 2.cikliskās: a)aromātiskās b)heterocikliskās II. Pēc aminoskābes fiziko-ķīmiskā rakstura: 1.neitrālās - 1,2,3,4,5,6,8,9,14,15,16,18 (Gli,Ala,Val,Leu,Ile, Ser,Thr,Gln,Phe,Trp) 2.bāziskās - 10,11,19 (Arg,Lys,His) 3.skābās - 12,13,(6,17) (Asp,Glu,Cys,Tyr) III. Aminoskābes ar specifiskām īpašībām: 1. sēru saturošās - 6,7 (Cys,Met) 2. oksiaminoskābes - 8,9,17 (Ser,Thr,Tyr) 3. zarotās aminoskābes - 3,4,5 (Val,Leu,Ile) 4. iminoskābes - 20 (Pro)

21. Aminoskābju klasifikācija (2.) IV.Pēc lādiņa un polaritātes: pie pH 7 (aptuvenais iekšūnas pH) aminoskābēm ir lādiņš 1. Aminoskābes ar pozitīvi lādētu polāru sānu virkni - 10,11,19 (Lys,Arg,His) 2. Negatīvi lādētu polāru sānu virkni - 12,13 (Asp,Glu) 3. Aminoskābes ar nepolāru sānu virkni - 2,4,5,7,16,20 (Ala,Val,Leu, Ile, Phe, Pro). Starp tām - 3,4,6,16 ir stingri hidrofobas 4. Aminoskābes ar polāru sānu virkni - 1,6,8,9,14,15,17 (Gli,Cys, Ser,Thr,Asp,Glu,Tyr) V. Aminoskābes kā noteiktu karbonskābju atvasinājumi: 1. Monokarbonskābju atvasinājumi: C2 - etiķskābe 1 (Gli) C3 - propionskābe 2,6,8,16,17,18,19 (Ala,Cys,Phe,Tyr,Trp) C4 - sviestskābe 9,8 (Thr,Met) C5 - balderiānskābe - 3,10 (Val,Arg) C6 - kapronskābe - 4,5,11 (Leu,Ile,Lys) 2. Dikarbonskābju atvasinājumi: C4 - dzintarskābe (sukcināti) 12,14 (Asp,Asn) C5 - glutārskābe 13,15 (Glu,Gln) 3. Pirolidona derivāti - 20 (Pro)

28. Dzīvā dabā ir daudz savienojumu ar visai sarežģītu uzbūvi 6-(D-5-Amino-5-carboxyvaleriamido)-3,3-dimethyl-7-oxo-4 thia-1- azabiciclo heptane-2-carboxylic acid COOH CH3 O 1 NH2 N CH3 CH-CH2 -CH2 -CH2 -CONH 6 S 4 COOH Attēlotā savienojuma struktūra liekas visai komplicēta un nosaukumu nebūs viegli atcerēties… Kas tas ir ?

29. Penicilīns N COOH CH CH3 Peptīdu saiteOC N C CH3 H2N CH- CH2 -CH2 -CH2 -CONHCH CH S HOOC Zils - Valīns Zaļš - Cisteīns Brūns - “Homo” glutamīnskābe Ja to pašu savienojumu uzlūko kā sastāvošu no aminoskābēm, tad tā uzbūve ir daudz saprotamāka - vienīgais, kas jāzin, ir aminoskābes

30. Amanitha phalloides baltās/zaļās mušmīres toksīns ir ciklisks ribosomāls peptīds. Tā LD 50 ir 0,1 mg/kg. Tas inhibē transkripciju: RNS polimerāzi II. Cilvēkam pietiek apēst ~30 mg – t.i. 1-2 sēnes

31. Structures of α-amanitin (A) and phallacidin (B) Šie toksīni tiek kodēti ģenētiski un sintezējas uz ribosomām kā 35 un 34 aminoskābju atlieku gari peptīdi. Pēc tam pēctranslācijas procesā, ar attiecīgu enzīmu palīdzību, notiek peptīda daļas hidrolīze, notiek aminoskābju atvasinājumu veidošanās, ciklizācija Hallen H. E. et.al. PNAS;2007;104:19097-19101 ©2007 by National Academy of Sciences

32. Proteīnu primārstruktūra • Reakciias uz peptīdu saiti • Biurets • Pozitīva un negatīva biureta reakcija

33. Peptidu saišu veidošanās (attēls no Nelson&Cox, LehningerPrinciplesofBiochemistry)

34. Peptīdu un proteīnu apzīmējumi C- un N- gali Cik garš ir peptīds un kad runā par polipeptīdiem Peptīdu nosaukumi un fizioloģiski aktīvo peptīdu piemēri – gamma-glutamīl-cisteinīl-glicīns = glutations oksitocīns vazopresīns piroglutamīl-histidīl-prolīn amīds= tiroliberīns

35. Niecīgākās izmaiņas proteīnu primārstruktūrā var izraisīt dziļas izmaiņas telpiskajā struktūrā un proteīnu funkcijās (Laskovski R.A. et al. Nature reviews.Genetics, 2008,v.9,141)

36. Proteīnu augstākās struktūras 1. sekundārā struktūra alfa spirāle beta struktūras beta pagrieziens omega struktūras kollagēna spirāle 2. terciārā struktūra, jeb konformācija domēnes 3. kvartārā struktūra

37. Proteīnu struktūras līmeņi (Attēls no Nelson&Cox - Lehninger Principles of Biochemistry,2005)

38. Proteīnu kvartārā struktūra (Attēls no Nelson&Cox - Lehninger Principles of Biochemistry,2005)

39. Proteīnu α spirāles struktūra (Attēls no Nelson&Cox - Lehninger Principles of Biochemistry,2005)

40. Proteīnu β salikto plašu struktūra (Attēls no Nelson&Cox - Lehninger Principles of Biochemistry,2005)

41. Jautājumi paškontrolei: 1.Uzrakstiet visus iespējamos dipeptīdus no lizīna un glutamīna. Nosauciet tos, dodot precīzusnosaukumus. Kuri no šiem peptīdiem sastopami proteīnu sastāvā? 2. Kādēļ asinīs proteīnu daudzumu var noteikt pēc Kjeldāla metodes, bet urīnā nē? 3. Vai var droši apgalvot, ka D-leicīns griezīs polarizētas gaismas plakni pa labi? 4. Kuram dipeptīdam būs zemāks izoelektriskais punkts: glicīlglutamīnam vai valīlasparagīnskābei? 5.Kuras aminoskābes ir atvasinātas no sviestskābes? 6. Kādēļ - spirāle destabilizējas prolīna atlieku vietās? 7. Kādēļ kollagēnam ir īpatnēja spiralizētā struktūra? 8. Kāda ir starpība starp guanīnu un guanidīnu? 9. Kura aminoskābe satur imidazola gredzenu? 10.Vai serīns satur sēru?

42. Literatūra 2012.g. • 1.L. Stryer-Biochemistry, W.H. Freeman and Co, N-Y, 1995, 2001, 2005,krievu val. 1985 • 2.A.Lehninger et al.- Principles of Biochemistry ,2005, 2000,1993, krievu val. 1974,1986 • Pēdējo gadu izdevumi saucas “ Lehninger principles of biochemistry”, vairākas izdevniecības (maksā 50- 100 eiro, komplektā ir kompaktdisks) • 3.R.K.Muray et al.- Harper’s Biochemistry, Prentice- Hall .Inc. ,Lange medical books/McGraw Hill, 1996,2000,2003,2007 (grāmatai vismaz 26 izdevumi, maksā 44 eiro) • 4.D.Voet, J.G.Voet - Biochemistry,John Willey&Sons,N-Y, 2002,2005 (maksā ~60eiro) • 5.P. N.Campbell , A.D.Smith – Biochemistry Illustrated, Harcourt publishers,Churchill • Livingstone, Elsevier, 1996, 2000,2005 (maksā 46 eiro) • 6. Metzler D. – Biochemistry , Elsevier, 2001,2008, 2 sēj. (maksā ~150 eur) • 7.Devlin – Textbook of biochemistry with clinical correlations, John Wiley&Sons, 2007, ~1000 p., (maksā 61 euro) • 8. Pingoud - Biochemical methods, John Wiley&Sons, 2004 (maksā 97 eiro) • 10.Harvey R.A., D.R.Ferier- Lippincott's Illustrated Reviews: Biochemistry , Lippincott, Williams&Wilkins,2010, 544 pp. (maksā 64 USD) • 11.Koolman J., Roehem K.H.- Color Atlas of Biochemistry, Thieme, 2004, 467 p.(maksā 30 euro) • 12.Baynes - Medical Biochemistry, Wisepress,2004, 2010 (maksā 57 eiro) • 13. Dey-Harborne – Plant Biochemistry, Harcourt publishers, 2000 • 14. Bowsher – Plant Biochemistry, Wisepress, 2010 (maksā 54 USD) • 15. Hames D.,Hooper N. – BIOS instant notes Biochemistry , Garland Science, 2011 (maksā ~20 eiro) • 16.Alberts – Molecular biology of the cell . Wisepress, 2008, 2004, 2000 (maksā 138 eiro) • 17.Mesienberg – Principles of Medical Biochemistry, Elsevier, 2004, 2010 (maksā 57 eiro)

43. Kursa “ Bioķīmija I” Bioloģijas bakalaura studiju programmas A daļas • un kursa “ Bioķīmijas pamati “ Ārstniecības profesionālās studiju programmas A daļas raksturojums • (pilna programma atrodama atsevišķā Word failā) • Vairums vispārējās bioķīmijas jautājumu ir universāli, tādēļ daudzi no tiem pārklājas. Atšķirības skar dažus aspektus: • Biologiem , kā plašāka virziena speciālistiem , sīkāk jāzina vispārēji jautājumi augu un mikroorganismu bioķīmijā : • Strukturālā bioķīmija: • -hromoproteīni (hlorofīli, fikobilīni) • plazmīdu DNS • rezerves polisaharīdi (ciete, inulīns) • terpēni, vaski • Enzimoloģija: • citi inhibitoru iedalījuma veidi (bezkonkurentā) • karboksipeptidāzes A proteolītiskā darbība • Bioenerģētika: fotosintēze • Slāpekļa vielu maiņa: • atmosfēras slāpekļa asimilācija • triptofāna, tirozīna, fenīlalanīna , histidīna biosintēzes galvenie etapi • hlorofīls, tā veidi • fikobilīni, to nozīme • Biologi var mazāk iedziļināties sekojošos jautājumos: • lipīdu vielu maiņas regulācijas traucējumi • prostaglandīni

44. Mediķiem, kā specializēta virziena pārstāvjiem, sīkāk jāzin ar dzīvnieku bioķīmiju saistītie jautājumi: vielu maiņas paš- un mērķtiecīga regulācija dažas elementārās klīniskās bioķīmijas metodes atsevišķu audu un orgānu bioķīmija aplūkojot enzīmu aktivātorus un inhibītorus, vitamīnus, hormonus zināt farmakopreparātu piemērus Mediķi var neiedziļināties augstāk minētajos bioloģijas bakalaura kursa jautājumos , kuri atzīmēti kā svarīgi biologiem

45. Jebkurā gadījumā visiem veikli jāprot uzrakstīt formulas aminoskābēm, nukleotīdiem, glikozei, maltozei, triglicerīdam, urīnvielai. • Pilns oficialās programmas teksts atrodams interneta saitā- • http://priede.bf.lu.lv/ramis.shtml (grozs- bioķīmija)

46. Jautājumu piemēri kontroldarbam pie pirmā laboratorijas darba • 1.Uzrakstiet dipeptīdu, kura N-gala aminoskābe ir histidīns • a) nosauciet šo peptīdu • b) uzrakstiet šā peptīda hidrolīzes reakciju • c) dodiet tajā ietilpstošo aminoskābju ķīmiskos nosaukumus • d) norādiet, kāds būs peptīda lādiņš vidē pie pH5 • 2. Metionīns ir: • sēru saturoša aminoskābe • cikliska aminoskābe • zarota aminoskābe • monoaminomonokarbonskābe • 3. Kuri apgalvojumi ir pareizi: • globulīni nešķīst ūdenī • globulīni izgulsnējas pus piesātinātā amonija sulfāta šķīdumā • fibrinogēns ir raksturīga eritrocītu olbaltumviela • hemoglobīns ir raksturīgs pilnasiņu komponents • 4. Alfa spirāle destabilizējas: • veidojoties ūdeņraža saitēm starp atsevišķām polipeptīdu virknēm • veidojoties disulfīdu saitēm • prolīna atlikumu vietās • veidojoties jonogēnām saitēm • 5.Antiparalēlās beta struktūras proteīnos stabilizē: • Disulfīdu saites • Ūdeņraža saites starp atsevišķām polipeptīdu virknēm • Peptīdu saites • Hidrofobās saites • 6. Muskuļaudu proteīni • 7. Aprakstiet vienu proteīnu analīzes metodi