Esimene loeng

Dr. Juhan SedmanVanemuise 46-127Tel. 375838Email: biochem03@ebc.eeKõnetunnid kolmapäeviti 16.00-19.00

Loeng 1

1. Õppevahendid, programm ja ajakava. Eksam2. Biokeemia evolutsioon3. (Bio)keemiline evolutsioon4. Elusaine elementaarkoostis5. Funktsionaalrühmad biokeemias6. Makromolekulid7. Rakk kui biokeemiline reaktor

Eksam toimub testi vormis

Näidistest: www.biokeemia.ebc.eefail: test2003

Õppevahendid: soovitatav õpik

Principles of Biochemistry (Third Edition, 2002)

Horton, Moran, Ochs, Rawn, Scrimgeour

Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ 07458ISBN 0-13-026672

Õppevahendid

• Voet and Voet Biochemistry, 2nd edition 1995• Garrett and Grisham Biochemistry, 2nd edition

1999• Zubay Biochemistry, 4th edition 1998• Stryer Biochemistry, 4th edition 1995• Nelson and Cox Lehninger Principles of

Biochemistry, 3rd edition 2000 •Campbell Biochemistry, 2nd edition 1995

•Voet, Voet and Pratt, Fundamentals of Biochemistry, 1999

•Student companion to…

–Stryers Biochemistry

–Fundamentals of Biochemistry

Kõik loengutel esitatavad slaidid on võrgus kättesaadaval Powerpoint formaadis

Üks loeng 2...10 Mb.

www.biokeemia.ebc.ee

Kasutaja: bk03Parool: biogeoge

Moraalilugemise asemel sõbralikud soovitused:

1. Trükkige aegsalt välja loengumaterjalid (näiteks 6 slaidi lehe kohta) ja võtke loengusse kaasa

2. Veelgi parem kui te loete materjali eelnevalt läbi3. Kui millestki aru ei saa, küsige kohe. Lollid

küsimused on ainult need mida ei küsita.4. Ei ole mõistlik õppida ainult eksamieelsel

perioodil, sest siis te lihtsalt ei jõua.5. Muretsege endale õpik.

Journal of Biological Chemistry

15 February 2002; Vol. 277, No. 7

• Minireviews Hyaluronan Minireview Series

• DNA: Replication Repair and Recombination

• Genes: Structure and Regulation• RNA: Structure Metabolism and

Catalysis• Protein Synthesis Post-Translation

Modification and Degradation• Genomics Proteomics and

Bioinformatics• Protein Structure and Folding• Enzyme Catalysis and Regulation• Metabolism and Bioenergetics• Glycobiology and Extracellular

Matrices• Lipids and Lipoproteins• Membrane Transport Structure

Function and Biogenesis• Mechanisms Of Signal Transduction• Molecular Basis Of Cell and

Developmental Biology

Journal of Biological Chemistry25 February 1987; Vol. 262,

No. 6

•Carbohydrates, Lipids and Other Natural Products• Cell Biology and Metabolism•Enzymology•Membranes and Bioenergetics•Nucleic Acids, Protein Synthesis and Molecular Genetics•Protein Chemistry and Structure

Biokeemilised dimensioonid I: ruum

mmm milli 10-3

m mikro 10-6

nm nano 10-9

Ongström 10-10 m

Prokarüootne rakk

•Membraan ja kest lahutavad väliskeskkonnast•Rakusisesed kompartmendid puuduvad

Lähteühendid?

C-allikasN-allikasjne

Produktid?-biomass-ainevahetuse kõrvalproduktid

Energia?

Süsiniku allikas

CO2 –fotosünteesivad organismid on võimelised sünteesima suhkruid lähtudes atmosfääris leiduvast süsihappegaasist

Orgaanilised süsinikuühendid

Lämmastiku allikas

N2- vaid vähesed organismid

NH3- enamik rakke

Nitraadid- osad bakterid

Glutamaat jt aminohapped

Energia allikaks võib olla

1. Valgusenergia (fotosünteesivad organismid)

2. Redoksreaktsioonid-oksüdeeritakse kas orgaanilisi ühendeid või anorgaanilisi ühendeid

Prokarüootne rakk

•Membraan ja kest lahutavad väliskeskkonnast•Rakusisesed kompartmendid puuduvad

Lähteühendid?

C-allikasN-allikasjne

Produktid?-biomass-ainevahetuse kõrvalproduktid

Energia?

•Metabolism- keemiliste protsesside kogum elusrakus

•Sageli kitsamas tähenduses kasutusel rakuenergeetika aspektist lähtudes

•Katabolism- degradatiivsed protsessid, energiat genereerivad

•Anabolism- biosünteetilised protsessid,

energiat tarbivad

Organismide jaotus toitainete kasutamise alusel

Biokeemilised dimensioonid III: energia

1 kcal = 4.18 kJ

ATP 30.5 kJ/mol

Molekulide vahelised sidemed bioloogilistes süsteemides

1. Kovalentne keemiline side2. Mittekovalentne keemiline side ehk nõrgad interaktsioonid

Kovalentsete sidemete tugevus kJ/mol

Üksikside Kaksikside

O-H 461 C=O 712H-H 435 C=N 615P-O 419 C=C 611C-H 414 P=O 502N-H 389C-O 352 KolmiksideC-C 348 S-H 339 C C 819C-N 293 N N 930S-S 214

MittekovalentsedSidemed

4…40 kJ/mol

Maa vanus ca 4.6 mljrd. a.Vanimad fossiilid ca 3.5 mljrd. a.C fikseerimise algus ca 3.8 mljrd a.

1. Keemiline evolutsioon2. Isereplitseeruva süsteemi teke3. Bioloogiline evolutsioon

Miks baseerub elu süsinikul?

Bioloogiliste süsteemide elementaarkoosseis on oluliselt erinev maakoorest

47% O, 28% Si, 7.9% Al, 4.5% Fe, 3.5% Ca

Inimorganismi elementaarkoosseis (kuivkaalu protsendid)

C 61.7 Vähesel hulgalN 11.0 O 9.3 B F SiH 5.7 V Cr MnCa 5.3 Fe Co CuP 3.3 Zn Se MoK 1.3 Sn IS 1.0Cl 0.7Na 0.7Mg 0.3

C on võimeline moodustama tohutu hulga erinevaid ühendeid

Moodustab kuni 4 stabiilset kovalentset sidet ja pikki C-C ahelaid

B, C, N, Si ja P- ainsad elemendid, mis on võimelised moodustamakovalentselt seotud ahelaid ja moodustama rohkem kui 3 sidet

C-C side 350 kJ/molN-N side 170 kJ/mol (kolmikside 950 kJ/mol)Si-Si side 175 kJ/mol, Si-O side 370 kJ/molHeteronukleaarsed C-O, C-N, P-O sidemed reaktsioonivõimelisemad kui C-C sidePraktiliselt ainukesed homonukleaarsed sidemed peale C-C on eluslooduses S-S

Redutseeriv vs oksüdeeriv atmosfäär

Keemilise evolutsiooni eksperimentaalneanalüüs 1953 a. Miller ja Urey

H20, CH4, NH3, H2

Glütsiin, Alaniin, Glutamiinhape,Asparagiinhape

Sipelghape, äädikhape, piimhape,

karbamiid, N-metüülkarbamiid

Ürgpuljong?-isoleeritud loigud-katalüsaatorid-külm algus (hüdrolüüs

vs. kondensatsioon)

Keemilise evolutsiooni staadium

Isereplitseeruva süsteemi teke

RNA maailma mudel1. Elu võis baseeruda algul isereplitseeruval RNA-l?2. Replitseeruva süsteemi evolutsioon valkude kaasamisega?3. DNA kui geneetilise informatsiooni kandja kaasamine

Kompartmentalisatsioon1. Vajalik kui vahend soodsa keemilise keskkonna säilitaja2. Transpordisüsteemi vajalikkus3. Inside outside first?

Metaboolsete radade, fotosünteesi ja hingamise areng1. Energeetiliste resursside piiratuse tingimustes tekkis fotosüntees2. Fotosünteesi tagajärjel akumuleerus kõrvalproduktina hapnik3. Oksüdatiivse metabolismi (respiratoorsete mehhanismide)arenemine4. Hulkraksete organismide teke ca 700 milj. a. tagasi

Biokeemilised dimensioonid III: aeg

pikonanomikromilli

E. coli rakkude keemiline koostis

• Vesi >70%• Valgud 15%• Nukleiinhapped 7%• Polüsahhariidid 3%• Lipiidid 2%• Anorg. ioonid 1%• Metaboliidid <1%

Bioloogilistes süsteemides on polümeerid olulisel kohal

Bioloogilised makromolekulid jaotatakse 4 (3) klassi

Valgud- aminohapetest koosnevad polümeerid. Funktsioonid mitmekesised, katalüüs, struktuur, regulatsioon, transport jm.

Nukleiinhapped- polümeer, mis koosneb suhkrust, fosfaadist ja

lämmastikalustest Eelkõige informatsiooni säilitamise

ja ülekande funktsioonPolüsahhariidid- monosahhariididest

koosnevad polümeerid. Energeetiline ja struktuurne funktsioon

Lipiidid- heterogeenne klass vees mittelahustuvaid ühendeid.

Energeetiline, struktuurne roll. Ei ole tõelised makromolekulid.

Valgud- aminohapete polümeerid

Nukleiinhapped- nukleotiididest

koosnevad polümeerid

Polüsahhariidid- lihtsuhkrute polümeerid

Lipiidid- orgaanilistes solventides lahustuvad bioloogilised ühendid

Biokeemia ja orgaaniline keemia

•Orgaaniline keemia- ajalooliselt elusa looduse keemia

•Kõik protsessid elusas looduses alluvad keemia ja füüsika seaduspärasustele

•Bioloogiliste makromolekulide keemilised omadused on funktsionaalrühmade omadused

•Biokeemilised reaktsioonid toimuvad vesikeskkonnas ja katalüsaatorite abil

Biokeemias on kasutusel limiteeritud arv funktsionaalrühmi

Funktsionaalrühmad I

O

O

O

CH3

Püruvaat

OCH3

CH2

O

O

Atseetoatsetaat

OCH3

CH3

Atsetoon

CH

OCH3

Atseetaldehüüd

OP

O

OO

NH3+ CH

CH2

O

O

Fosfoseriin

NH3+

CHO

CH2

CH2

CH2

NH

NH2+

NH2

O

Arginiin

Funktsionaalrühmad I

NH3+

CHCH2

OH O

O

Seriin

NH3+

CHO

CH2

SH O

Tsüsteiin

NH3+

CH2

O

O

Glütsiin

NH2+

CH

CH2

CH2

CH2

O

O

Proliin

N+

CH3 CH3

CH3 CH2

CH2O

O CH3

Atsetüülkoliin

OCH3

O

Äädikhape

Funktsionaalrühmad II

Funktsionaalrühmad II

NH3+

O

O

Fenüülalaniin

NH3+

O

N

NH

O

Histidiin

NH3+

O

NH

O

Trüptofaan

N

N

N

NH

NH2

6-aminopuriinadeniin

N

N

OH NH2

4-amino, 2-hüdroksüpürimidiintsütosiin

Funktsionaalrühmad II

O

OH

OHOH

OH

D-riboos

OH

OHOH

O

OH

-D-ribofuranoos

OH

O

OHOH

OH

OH

D-glükoos

OH

OH

OH

OH

OOH

-D-glükopüranoos

Funktsionaalrühmad III

Funktsionaalrühmad III

OH

OH

OH

OH

OOH

-D-glükopüranoos

O

OH

OH

OH

OOH

CH3

-metüül-D-glükosiid

NH3+

O

O

NH2

O

Asparagiin

NH3+

O

CH3

NH

ON

NHO

Alanüül-histidiin

NH3+

O

S

NH3+

O S

O

O

Tsüstiin

NH

+CH3

OH

OPO32-

O

Püridoksaal-5'-fosfaat

NH

+CH3

OH

OPO32-

N+

H

*

Ensüüm-PLP-Schiffi alus

Ensüüm

O OO

suktsinüülanhüdriid

Funktsionaalrühmad IV

Funktsionaalrühmad IV

OH P O

OH

O

CH3

O