Biochemistry & Molecular Biology

Biochemistry & Molecular Biology

Outline • Biochemistry and function of macromolecules and their derivatives • Structure,properties,function of amino acid and protein • Energy metabolism • Metabolic pathway of small molecule • Biosynthesis and degradation of macromolecule • Gene expression • Genetic engineering technology

Carbohydrate • Definition • Polyhydroxylated aldehydes and ketones • Structure

Carbohydrate • Sources and function • เก็บสะสมพลังงาน : starch, glycogen • โครงสร้าง : cellulose, chitin, murein • สารประกอบซับซ้อน : mucopolysaccharides (chondrotin sulfate) • สารพันธุกรรม : ribose, deoxyribose • ยา : cardiac glycoside (digoxin)

Carbohydrate • Classification • Monosaccharide • Oligosaccharide • Polysaccharide

Monosaccharide • เป็นหน่วยโครงสร้างพื้นฐานของคาร์โบไฮเดรต • แบ่งเป็น • 1. ไตรโอส (triose) มี C 3 อะตอม ซึ่งเล็กที่สุด ได้แก่ กลีเซอราลดีไฮด์ และไดไฮดรอกซีอะซีโตน • 2. เทโทรส (tetrose) มี C 4 อะตอม ได้แก่ อีรีโทรส และอีรีธรูโลส • 3. เพนโทส (pentose) มี C 5 อะตอม ได้แก่ ไรโบส ซึ่งพบเป็นส่วนประกอบที่สำคัญของกรดนิวคลีอิก ไรบูโลส และไซลูโลส • 4. เฮกโซส (hexose) มี C 6 อะตอม เป็นกลุ่มที่พบมากที่สุด ได้แก่ กลูโคส แมนโนส กาแลคโทส และฟรักโทส

Monosaccharide • derivative • 1. กรดน้ำตาล (sugar acid) คือ น้ำตาลที่มีหมู่คาร์บอกซิลิก (carboxylic group) อยู่ในโมเลกุล เช่น กรดกลูโคนิก (gluconic acid) ,กรด D-กลูคิวโรนิก (D-glucuronic acid) • 2. น้ำตาลดีออกซี (deoxy sugar) คือ น้ำตาลที่มีหมู่ไฮดรอกซิลอย่างน้อย1 หมู่ ถูกแทนที่ด้วย ไฮโดรเจนอะตอม เช่น D-2-deoxyribose • 3. น้ำตาลอะมิโน (amino sugar) คือ น้ำตาลที่มีหมู่อะมิโนอยู่ในโมเลกุล เช่น D-กลูโคซามีน ซึ่งเป็นส่วนประกอบของกรดไฮยาลูโรนิก (hyaluronic acid) สารปฏิชีวนะหลายตัว เช่น อีรีโทรมัยซิน (erythromycin) มีน้ำตาลอะมิโนเป็นส่วนประกอบ • 4. น้ำตาลแอลกอฮอล์ (sugar alcohol) คือ น้ำตาลที่หมู่คาร์บอนิลในโมเลกุลถูกรีดิวซ์ไปเป็นหมู่ ไฮดรอกซิล เช่น ไซลิทอล (xylitol) ใช้ในอุตสาหกรรมทำหมากฝรั่งและลูกอม • 5. น้ำตาลฟอสเฟต (sugar phosphate) เป็นกรดฟอสโฟริกเอสเตอร์ของมอโนแซ็กคาไรด์ พบเป็น สารตัวกลางของคาร์โบไฮเดรตเมแทบอลิซึม เช่น ไรโบสฟอสเฟต และดีออกซีไรโบสฟอสเฟต เป็นส่วนประกอบ ของนิวคลีโอไทด์ และกรดนิวคลีอิก

Oligosaccharide • Disaccharide • Maltose • Sucrose • lactose • Oligosaccharide ที่มากกว่า 3 หน่วย มักเป็นแขนงใน glycoprotein

Polysaccharide • แบ่งเป็น • Homopolysaccharide:starch,glycogen,cellulose • Heteropolysaccharide: glycoprotein, glycoaminoglycans • หน้าที่ • แหล่งพลังงาน • โครงสร้าง

Glycoaminoglycan • เดิมเรียก mucopolysaccharide • เกาะกับ peptide = peptidoglycan • เกาะกับ protein =proteoglycan • หน้าที่ • Ground substance • ผนัง cell ของ bacteria

Glycoprotein • คือ protein ทีมี oligosaccharide เกาะอยู่ • หน้าที่ • Structural molecule :bone matrix ,fibrin • Transport molecules for vit,mineral,lipid • Cell attachment&recognition site • Immunologic molucule:Ig,complement • Enzyme • Lubricants&protective agents • Lectin (ทำให้เกิด agglutination)

CBH metabolism • Digestion • Mouth&intestine • Absorption • Small intestine • Lactase deficiency • Pancreatitis • Parotitis

CBH pathway (glucose) • Glycolysis • Gluconeogenesis • Cori cycle • Pentose phosphate pathway • Glycogenolysis • Glycogenesis

Glycolysis • เกิดใน cytoplasm ของ cell • ได้ product เป็น pyruvate • Anaerobic condition (lactate dehydrogenase) • Aerobic condition (pyruvate dehydrogenase)

Gluconeogenesis • เกิดใน liver and kidney • Substrate • Lactate • Pyruvate • Glycerol • Oxaloacetate

Cori cycle muscle lactate glucose liver

Pentose phosphate pathway • เป็น pathway ที่สำคัญใน RBC • G6PD • ใน cell อื่นเกิดขึ้นเพื่อสร้าง ribose 6 phosphate

GlycogenolysisVSGlycogenesis • ส่วนใหญ่เกิดที่ liver and muscle • Regulation • Glucagon • Epinephrine • Insulin

Lipid • คือ ชีวโมเลกุลไม่ละลายน้ำแต่ละลายได้ดีในตัวทำละลาย • Classification • Simple lipid : natural fat,oil,wax • Compound lipid :phospholipid,glycolipid,sphingolipid • Derived lipid : monoacylglyceral,diacylglyceral • Miscellaneous lipid : steroid

Fatty acid • คือ aliphatic carboxylic acid • Classification • Saturated fatty acid • Unsaturated fatty acid • Monounsaturated • Polyunsaturated:trans > cis • Eicosanoid : prostanoid,leukotriene

Essential fatty acid • Linoleic acid • Linolenic acid • Arachidonic acid • เป็น substrate ของ eicosanoid cascade

Major type of lipid in animal tissue • Triglyceride • Wax • Phospholipid • Sphingolipid • Steroid

Triglyceride หน้าที่ • Heatinsulator • Cushion • Storage food • ให้พลังงานมากกว่าคาร์โบไฮเดรต • สะสมได้ไม่จำกัด

Phospholipid • Amphipathic compound • หน้าที่ • Major component of cell membrane • Surfactant (phosphatidylcholine) • Major component of lipoprotein

Sphingolipid • Major component of membrane lipids • Subclassification • Sphingomyelin • Cerebrocide • ganglioside

Steroid • Cholesterol • Temperature buffer of Cell membrane • Bile acid • Hormone • Ergosterol • เป็นสารตั้งต้นในการสังเคราะห์ vit D ที่ผิวหนัง • Anti-imflammatory agent

Lipid metabolism • Digestion • Mouth & Stomach • Duodenum • Small intestine • Absorption • Micelles • Small and medium chain fatty acid, glycerol

Lipid circulation • Chylomicron • VLDL • LDL • HDL • HMG CoA reductase

Fatty acid metabolism • เกิดใน mitochondrial matrix • Carnitine • β-oxidation • Ketogenesis เกิดในภาวะ starvation โดยสร้าง acetoacetate ซึ่งสามารถผ่าน blood-brain barrier • DKA

Clinical relevance • Bile duct obstruction • Pancreatic duct obstruction • Small intestine disease • Hyperlipidemia

Protein • หน้าที่ • Enzyme • Peptide hormone • Toxin • Structural protein • Storage protein • Protective protein • Transport protein • Contractile protein • Coagulation factor

Essential amino acid • Arginine • Phenylalanine • Isoleucine • Tryptophan • Threonine • Lysine • Leucine • Valine • Histidine • Methionine หน้าที่ amino acid 1.building block 2.cellular signal (GABA) 3.neurotransmitter (dopamine) 4.inflammatory mediator (histamine) 5.hormone (thyroxine)

Protein • Primary structure (linear) • Secondary structure • Alpha-helix • Beta-plated sheet • Tertiary structure • Fibrous • Globular • Quaternary structure (subunit)

Enzyme • กลไกการทำงาน • E + S ES P + E

Enzyme • ปัจจัยที่มีผลต่อการทำงาน • เวลา • ปริมาณ enzyme และ substrate • First-order reaction • Zero-order reaction • Temperature • pH

Term • Km (ต่ำ = substrate จับกับ enzyme ได้ดี • Vmax (สูง = enzyme ทำงานได้ดี • Enzyme inhibitor • Isosteric VS allosteric inhibitor • Irreversible inhibitor • Reversible inhibitor Km Vmax • Competitive inhibitor (AS) ↑ ↔ • Non-competitive inhibitor (NS) ↔ ↓ • Uncompetitive inhibitor (ES) ↓ ↓

Protein matabolism • Digestion • Stomach • Pancreatic juice • Absorption • Amino acid only

Amino acid metabolism • Removal of amino acid nitrogen • Transamination (AST,ALT) • Deamination (glutamate dehydrogenase) • Product คือ NH4+and carbon skeleton

Detoxification of NH4+ • Peripheral tissue • Skeletal muscle จะย้าย NH4+ไปเป็น alanine • Other tissue จะย้าย NH4+ไปเป็น glutamine • Liver • เปลี่ยน amino acid ให้เป็น NH4+แล้วเข้า urea cycle เพื่อเปลี่ยนให้เป็น urea แล้วขับออกทาง urine

Electron transport • Complex I (NADH) • Complex II (FADH2) • Complex III • Complex IV(ATP synthase complex) • Inhibitor • Complex I amobarbital rotenone • Complex II antimycin A • Complex III cyanide CO H2S

Nucleic acid • Nucleoside • base+sugar • Nucleotide • Base+sugar+phosphate • Nucleic acid • Polymer (monomer คือ nucleotides) • Genetic material

Nitrogenous base • Purine • Adenine • Guanine • Pyrimidine • Thymine • Cytosine • Uracil Phosphate PO43- Sugar • Ribose • Deoxyribose

Nucleotide • หน้าที่ • 1.เป็น building block ในการสร้าง Nucleic acid • 2.เป็นสารตัวกลางพลังงาน (ATP,AMP,GTP) • 3.เป็น secondary massenger (cAMP) • 4.เป็น coenzyme (NAD+) • 5.เป็นยา (Adenosine , acido thymidine ,lamivudine)

DNA • Chargaff’s rule • องค์ประกอบเบสใน DNA สมช เดียวกันจะเหมือนกัน • องค์ประกอบเบสใน DNA สมช ต่างชนิดกันจะต่างกัน • องค์ประกอบเบสใน DNA สมช ชนิดหนึ่งมีความคงที่ • ใน DNA ไม่ว่าจะนำมาจากแหล่งใด จะพบ purine=pyrimidine เสมอ (A=T ,C≡G) • ประกอบจากสาย polydeoxyribonucleotide 2 สายเข้าคู่กันแบบ antiparallel และมี specific base pairing

RNA • Ribosomal RNA • Messenger RNA • Transfer RNA Nucleoprotein • Nucleic acid+protein • Chromosome • Ribosome

Term • Chromosome • Nucleosome • Histone • Non histone protein Clinical relevance • Gout result from purine metabolism disorder

สูตรโครงสร้าง 5’ ACUGGCCAACAGA 3’

Gene expression DNA Replication Transcription Translation RNA Protein

Replication • Helicases unwind the DNA duplex • Primase makes an RNA primer (5’ – 3’) • Leading strand • Lagging strand ,Okazaki fragments • DNAP I remove and replace RNA primer • DNA ligase join the end together

Transcription • Binding (specific promoter sequences) • Initiation • Elongation • Termination (hairpin loop) • After transcription process • Cap at 5’ end (7-methylguanine) • Poly A tail at 3’ end • RNA splicing (remove intron)

Biochemistry & Molecular Biology