BIOHEMIJA

ZELJKO

ANA

DANIJELA

GORDANA

JELENA

ELVIRA

• BIOMOLEKULI

• BIOENERGETIKA,

ENZIMI, GENETSKA

INFORMACIJA

• METABOLIZAM I

REGULACIJA

METABOLIZMA

Uvod, biomolekuli

• “Mada same fizicke i hemijske nauke ne mogu

objasniti prirodu zivota, one pruzaju osnovu za

njegovo razumevanje”

BIO -HEMIJA

• zivu materiju cini hemijska supstanca

• biohemija je primena hemije u proucavanju

bioloskih procesa na celijskom i molekularnom

nivou

• poznavanjem hemijske strukture i reakcija kojima

podlezu molekuli mogu se objasniti bioloske

funkcije

• to daje odgovore i na takve procese kao sto je

evolucija, diferencijacija, ponasanje, adaptacije...

Biohemija – hemija zivota

• biohemija – proucava procese u zivim

sistemima – hemijske reakcije izmedju

biomolekula

• opisuje strukturu, organizaciju i funkcionalnost

celije na molekulskom nivou

– strukturna hemija

– metabolizam

– molekularna genetika

Biohemija kao disciplina i interdisciplinarna

nauka

• organska hemija

• biofizika

• medicina

• ishrana

• mikrobiologija

• fiziologija

• celijska biologija

• genetika

Gde je sve potrebna biohemija

• poljoprivreda

• medicina

• ishrana

• klinicka hemija

• farmakologija

• toksikologija

• celija - osnovna strukturna jedinica zivih organizama

• procese u zivom sistemu cine hiljade hemijskih reakcija,

precizno regulisanih i integrisanih u odrzanje zivota

Biomolekuli

• animalna i biljna celija sadrze oko 10 000

razlicitih molekula - BIOMOLEKULA

• molekulska uniformnost u osnovi

raznolikosti zivog sveta

• visok stepen organizacije i dinamicnost

• proucava se na nivou - organizam, celija i

molekuli

Molekularna organizacija celije – kompleksni

biomolekuli izgradjeni od jednostavnijih

• struktura atoma

– protoni

– elektroni

– neutroni

• masa

• naelektrisanje

• jezgro

• elektronske orbitale

• elementi

Atomi i elementi

struktura atoma

Elementi koji izgradjuju animalnu celiju

• u biomolekulima

uglavnom

– ugljenik (C)�

– kiseonik (O)�

– vodonik (H)�

Molekuli i jedinjenja

Figure 2-6: Electron configuration of the three most

common elements in the body

Mr < 1500 kDa, mali molekuli

– alkoholi, organske kiseline

– monomerni molekuli (seceri,

aminokiseline, nukleotidi)

Mr >10 000 kDa, makromolekuli

– polisaharidi (polimeri monosaharida)

– proteini (polimeri aminokiselina)

– nukleinske kiseline (polimeri nukleotida)

• uloga malih molekula

- metaboliti

- monomeri

• uloga makromolekula

- strukturna

- kataliticka

- informaciona

Biomolekuli su organska jedinjenja

Organska jedinjenja su jedinjenja izgradjena od

ugljenika

tetrahedralni C atom sa

4 jednostruke veze

sta ugljenik cini tako specificnim i

razlicitim od drugih elemenata u

PSE?

odgovor je u sposobnosti atoma

ugljenika da se povezuju u dugacke

lance ili prstenove

Hemijska jedinjenja karakterisu hemijske veze

i funkcionalne grupe

• hemijske veze – jonska, kovalentna, slabe

interakcije

• funkcionalne grupe – hidroksilna, karbonilna,

karboksilna, amino, sulfhidril (tiol)

• dva C atoma povezana

dvostrukom vezom su bliza,

nema rotacije oko dvostruke

veze (planarna struktura)

Kovalentna veza

� dva C atoma dele zajednicki

elektronski par u kovalentnoj

vezi. Moguca rotacija oko

jednostruke veze

• polarizovana kovalentna veza

Voda

• voda cini 60-90%

nekog organizma

• ucestvuje u vecini

reakcija u organizmu

• univerzalni bioloski

rastvarac

Voda je polaran molekul

Vodonicna veza (H veza)

Jonska veza i joni

• gubitak elektrona –

pozitivni joni (katjoni)

• primanje elektrona –

negativni joni (anjoni)

• privlacenje suprotnih

naelektrisanja – jonska

veza

Funkcionalne

grupe

Voda – bioloski rastvarac

hidrofilna i hidrofobna

jedinjenja

Hemijske reakcije

• oksido-redukcije - prenos elektrona sa donora na

akceptor

• prenos grupa

• raskidanje veza - u prisustvu vode (hidroliza) ili

nezavisno od vode

• preraspodela unutar molekula - izomerizacija

• sintetske reakcije - energija ATP-a ili ekvivalentan

izvor hemijske energije

UGLJENIHIDRATI

(saharidi, seceri)

grcki “sakcharon” = secer

• najzastupljeniji organski molekuli u prirodi

• inicijalno se sintetisu u biljkama serijom reakcijaukljucujuci i fotosintezu

• jedinjenja C, O i H; opste formule (CH2O)n, (postojeizuzeci)

Fotosinteza: energija sunca postaje deo molekula

ugljenihhidrata

energija

CO2, H2O, hlorofil ugljenihidrati

nCO2 + nH2O + energija (sunce) nCH2O +

Respiracija:

nCH2O + nO2

n CO2+ n H

2O + energija

nO2

Ugljeni hidrati

– strukturne komponente – biljaka, vezivno

tkivo zivotinja, celijski zid bakterija,

spoljasnji omotac beskicmenjaka, gradivne

komponente biomolekula

– izvor energije i ugljenikovih atoma

• veliki broj metabolickih intermedijera za

biosintetske reakcije

– ucestvuju u procesima komunikacije medju

celijama, “molekulsko prepoznavanje”

Nomenklatura

• sufiks –oze: glukoza, riboza, maltoza...

• polihidroksilni aldehidi ili ketoni: aldoze, ketoze

• 3,4,5,6,7...C atoma: trioze,tetroze,pentoze,heksoze,heptoze...

C

C O HH

C HH O

C O HH

C O HH

C H 2O H

D -g lu co se

OH

C HH O

C O HH

C O HH

C H 2O H

C H 2O H

C O

D -fru cto se

aldoheksoza ketoheksoza

Monosaharidi – najrasprostranjeniji pentoze i

heksoze

Podela prema velicini molekula i slozenosti

• monosaharidi – ne mogu se razloziti na prostije secere

• disaharidi – hidrolizom daju dva molekula monosaharida

• oligosaharidi – hidrolizom daju od 3 do 10 molekula

monosaharida

• polisaharidi – hidrolizom daju veliki broj monosaharida

Izomerija monosaharida

• posledica prisustva asimetricnog (hiralnog) C atom

– ugljenikov atom povezan sa 4 razlicita atoma ili

grupe, obelezava se sa *

• Stereoizomerija -

– enantiomeri

– epimeri

– anomeri

• opticka izomerija

Enantiomeri

• za secere sa vecim

brojem hiralnih

centara – D i L se

odnose na hiralni C

atom najudaljeniji od

aldehidne (keto)

grupe

• vecina prirodnih

secera su D izomeri

O H O H

C C

H – C – OH HO – C – H

HO – C – H H – C – OH

H – C – OH HO – C – H

H – C – OH HO – C – H

CH2OH CH2OH

D-glucose L-glucose

Epimeri

Anomeri - pentoze i heksoze mogu da formiraju prsten -

aldehidna (keto) grupa reaguju sa udaljenom OH grupom

• glukoza formira

intramolekulski

hemiacetal, piranozniprsten (po piranu)

• prvi C atom (anomerni)

postaje hiralni a nova,

poluacetalna OH grupa,

moze biti u alfa ili beta

polozaju

• ciklicne forme se predstavljaju Haworth-

ovim formulama

H O

OH

H

OHH

OH

CH2OH

H

OH

H H O

OH

H

OHH

OH

CH2OH

H

H

OH

α-D-glucose β-D-glucose

23

4

5

6

1 1

6

5

4

3 2

H

CHO

C OH

C HHO

C OHH

C OHH

CH2OH

1

5

2

3

4

6

D-glucose

(linear form)

CHO

OHH

HHO

OHH

HHOH2C

OH

D-glucose

OH

HOHH

HO

O

CHO

OH

H

H

OHH

OH

HOH2C

H

HO

H

OH H

CH2OH

H

OH

OOHH

HO

HH

OH H

CH2OH

HOH

HO

H

OH

H

OHH

OH

CH2OH

H

OH

HO

OH

H

H

OHH

OH

CH2OH

H

new chiral center

1

3

4

5

6

1 1

11

2

2

2 2

1

3

33 2

3

3

4

4

4 4

4

5

5

5

55

6

6

6

6

6

alfa - (OH grupa

ispod ravni prsten)

beta - (OH iznad

ravni prstena)

H O

OH

H

OHH

OH

CH2OH

H

α-D-glucose

OH

H H O

OH

H

OHH

OH

CH2OH

H

H

OH

β-D-glucose

23

4

5

6

1 1

6

5

4

3 2

CH2OH

C O

C HHO

C OHH

C OHH

CH2OH

HOH2C

OH

CH2OH

H

OH H

H HO

O

1

6

5

4

3

2

6

5

4 3

2

1

D-fructose (linear) α-D-fructofuranose

fruktoza – ketoza,

formira petoclani

prsten, furanozni

(po furanu)

Anomeri,

ciklicne forme

Mutarotacija:

promena ugla skretanja ravni

polarizovane svetlosti zbog

prelaska (izomerizacije) α - u ß -

anomer glukoze (i obratno).

Anomeri (α- i ß- imaju razlicite

uglove skretanja, a ravnoteza se

uspostavlja kada je 64% ß -oblika

i 36 % α -oblika.

Konformacioni izomeri

Derivati secera

• redukcijom – secerni alkoholi

• oksidacijom – oksiduje se C1 ili OH grupa

na C6, nastaju karboksilne kiseline

• od glukoze - glukonska ili glukuronska

kiselina

CH2OH

C

C

C

CH2OH

H OH

H OH

H OH

D-ribitol

COOH

C

C

C

C

H OH

HO H

H OH

D-gluconic acid D-glucuronic acid

CH2OH

OHH

CHO

C

C

C

C

H OH

HO H

H OH

COOH

OHH

H O

OH

H

OH

H

NH2H

OH

CH2OH

H

α-D-glucosamine

H O

OH

H

OH

H

NH

OH

CH2OH

H

α-D-N-acetylglucosamine

C CH3

O

H

• aminoseceri –hidroksilna grupa je

zamenjena amino grupom

• glukozamin

• amino grupa moze

biti acetilovana (sasircetnom kiselinom)

• N-acetilglukozamin

CHO

OHH

OHH

OHH

CH2OH

1

4

2

3

5

D-ribose

CHO

HH

OHH

OHH

CH2OH

1

4

2

3

5

2-Deoxy-D-ribose

H

OH

H

HOH2C

OH OH

H HO

H

OH

H

HOH2C

OH H

H HO

CHO

H

OHH

OHH

HHO

CH2OH

1

4

2

3

5

6

HO

L-Galactose

OH

HO

OH

HHO

HOH

H

H

CH2OH

6

2

3

4

5

1

CHO

H

OHH

OHH

HHO

CH3

1

4

2

3

5

6

HO

6-Deoxy-L-Galactose(fucose)

OH

HO

OH

H

HO

HOH

H

H

CH3

6

2

3

4

5

1

deoksi seceri -

umesto OH

grupe H

Disaharidi sadrze O - glikozidnu vezu

anomerna OH grupa

jednog monosaharida i

OH grupa drugog

monosaharida (ili nekogdrugog jedinjenja) se

povezuju, izdvaja se

voda i nastaje

glikozidna veza

• ako se povezuje poluacetalna OH grupa jednog

monosaharida i OH grupa drugog monosaharida,

samo ne poluacetalna, nastaju redukujuci seceri

(maltoza)

• ako se povezuju poluacetalne OH grupe oba

monosaharida nastaju neredukujuci seceri (saharoza)

Oligosaharidi

Polisaharidi – prema strukturi

Polisaharidi – prema funkciji

• rezervni

– skrob

– glikogen

• strukturni

– celuloza

– hitin

– glikozaminoglikani

– peptidoglikani (polisaharidi bakterijskog celijskog

zida)

Skrob – rezervni polisaharid biljaka

Amiloza – linearna frakcija skroba

Amilopektin – razgranata frakcija skroba

Glikogen – rezervni polisaharid zivotinja

Celuloza – strukturni polisaharid biljaka

Glikozaminoglikani (mukopolisaharidi)

• nerazgranati heteropolisaharidi

– strukturna funkcija kod zivotinja

• hijaluronska kiselina (hrskavica,

koza, vezivno tkivo)

• hondroitin sulfat (hrskavica, koza, vezivno tkivo)

– antikoagulans

• heparin

Glukozaminoglikani (mukopolisaharidi) su linearni

polimeri ponavljajucih disaharida

Kompleksi secera i proteina

– proteoglikani (protein + glikozaminoglikani)

• ekstracelijska tecnost

• sinovijalna tecnost

• hrskavica

– glikoproteini (protein + oligosaharid)

• celijski zid bakterija

Proteoglikani

PROTEINI

• ukljuceni u skoro sve aktivnosti celije

• gradivne komponente (kolagen)

• transportni molekuli (Hb,

• lipoproteini, transferin)

• katalizatori (enzimi)

• ucestvuju u odbrani organizma

• (antitela)

• regulatorni molekuli (hormoni)

Proteini su polipeptidni lanci izgradjeni od

aminokiselina

• polipeptidni lanci su

razlicite duzine

• broj, vrsta i redosled,

genetski determinisan

Aminokiseline

• gradivne komponente proteina

• neke moguci izvor energije

• prekursori vaznih metabolita sa azotom (adrenalin, hem,

purinske i pirimidinske baze)

Strukturna formula aminokiselina

Opsta formula aminokiselina

• α-aminokarbonske kiseline

• L-izomeri

• oko 20 razlicitih

aminokiselina ulazi u

sastav proteina

Jonizacija aminokiselina

Aminokiseline mogu da deluju kao puferi

Formiranje peptidne veze

Peptidna veza

• omogucava formiranje polipeptidnog lanca (dipeptid, tripeptid…polipeptid)

• delimicno dvostruka veza

• predstavlja “kicmu” polipeptidnog lanca

• odredjuje primarnu strukturu proteina-broj, vrsta i redosled(sekvenca) aminokiselina

Polipeptid (peptid)

Polipeptidni lanac ima N- i C-kraj

Proteini

Struktura proteina

• primarna struktura (polipeptidni lanac)

• sekundarna struktura (α- i β- zavojnica)

• tercijarna struktura (globula)

• kvarterna struktura (vise globula-subjedinica)

Proteini imaju cetiri nivoa strukture

Primarna struktura proteina

• insulin – protein

izgradjen od dva

polipeptidna lanca

• hormon koji regulise

nivo secera u krvi

Sekundarna struktura proteina

• α – heliks

Sekundarna struktura proteina

• β-nabrana

struktura

...jos neki oblici sekundarne strukture

Tercijalna i kvarterna struktura proteina

• mioglobin

• hemoglobin

Proteini mogu biti prosti i slozeni

• prosti

– samo aminokiseline

• slozeni

– sadrze atom metala ili mali organski molekul (ligand iliprosteticna grupa)

• glikoproteini

• lipoproteini

• nukleoproteini

• metaloproteini

• hromoproteini

• fosfoproteini

Subjedinica hemoglobina (ima ih 4)

• apoprotein (proteinski

deo)

• hem (prosteticna grupa)

Struktura proteina – odrazava njihovu

funkciju

• nativna struktura

• denaturacija proteina,

koagulacija proteina

Biohemijske metode za analizu proteina

• hromatografija

– komponente

smese se na

koloni razdvajaju

na prostorno

razdvojene zone

• elektroforeza

– komponente smese se

razdvajaju u

elektricnom polju na

osnovu razlicitog

naelektrisanja u jednoj dimenziji

u dve dimenzije

• aktivni transport pumpama

– potrebna je energija

(najcesce hidrolizom ATP),

omoguceno kretanje

nasuprot koncentracionom

gradijentu

• endocitozom

– plazma membrana okruzuje neku cesticu, stranu celiju

ili ekstracelijsku tecnost, formira se vezikula i oslobadja

unutar celije

• egzocitozom

– suprotan tok u odnosu na endocitozu

• proteini – membranski receptori

– obezbedjuju mehanizam kojim celija prati i odgovara na

promene u okruzenju

– osnova medjucelijske komunikacije

– vezivanje liganda za membranu utice na konformacione

promene koje pokrecu specifican programirani odgovor

celije (najcesce vrlo kompleksan)

LIPIDI

LIPIDI

• jedinjenja malo rastvorljiva u vodi (nepolarnimolekuli)

• rastvorljivi u organskim rastvaracima

Uloga lipida

• rezerva energije

• gradivne komponente celijskih membrana

• izolacija (nervno vlakno)

• vitamini (A, D, E, K)

• hormoni (steroidni)

• eikozanoidi (prostaglandini, leukotrieni, tromboksani)

Klase lipida

• triacilgliceroli(masti i ulja)

• glicerofosfolipidi

• sfingolipidi

• steroidi

• eikozanoidi

Masne kiseline – vazni konstituenti lipida

• hemijski razlicitestrukture

• zasicene i nezasicene

(sa jednom ilivise dvostrukihveza, u trans ilicis polozaju)

• amfipaticnajedinjenja –polarna glavai nepolarnirep

• nomenklaturamasnihkiselina

• u vodenomrastvoru lipidigrade micele ilidvosloje

• “slicno se u slicnom rastvara”

Triacilgliceroli (trigliceridi)

• estarska veza (izmedju karboksilne i

alkoholne grupe)

• monoacil-, diacil-, triacilgliceroli

• nepolarna jedinjenja

• sa zasicenim masnim kiselinama – masti

• sa nezasicenim masnim kiselinama - ulja

• rezerva energije (masne kiseline)

Masne kapi u adipocitima – rezervaenergije, izolacija

Voskovi

• estri m. k. i visihalkohola

• potpunonerastvorljivi u vodi

• strukturna i zastitna uloga

Fosfoacilgliceroli (glicerofosfolipidi)

• dve masne kiseline esterifikovane

• na trecoj fosforna kiselina (fosfatidnakiselina)

• za fosfornu kiselinu razlicita jedinjenja (sajonizovanim grupama)

• polarna jedinjenja

glicerofosfolipid

Fosfatidna kiselina

Primeri glicerofosfolipida

– fosfatidilholin - lecitin

– fosfatidiletanolamin - kefalin

– fosfatidilserin

– fosfatidilinozitol

Sfingolipidi

• alkohol - sfingozin

• ceramid - sfingozin + masna kiselina

• sfingomijelin - ceramid + fosforna kiselina +

holin

• cerebrozidi, gangliozidi - ceramid + secer

Polarni i nepolarni deo molekula

Klasifikacija lipida

Lipidi kao konstituenti bioloskihmembrana

Glikosfingolipidi

• glikolipidimembrane eritrocita

• osnova ABO krvnih grupa

Steroidi

• steroidno jezgro (tri sestoclana prstena i

jedan petoclani)

• holesterol (slobodan ili vezan)

• soli zucnih kiselina (emulgatori)

• hormoni (kore nadbubrega, polni)

• vitamin D

Holesterol

Holesterol je prekursor steroidnih jedinjenja

O

O

O

OH

OHHO

O

CH3

HO

CH3

Cholesterol

Estradiol

Progesterone

Cortisol

O

OH

TestosteroneHO

OH

CH2

HO

OH

OHVitamin D

…i zucne kiseline

Eikozanoidi

• deluju slicno hormonima, ali lokalno(lokalni medijatori)

• sintetisu se od polinezasicenih masnihkiselina (20 C atoma)

• prostaglandini, tromboksani, leukotrieni

Lipoproteini-kompleksi proteina i lipida

hidrofobni lipidi(triacilgliceroli, estar holesterola) u jezgru;hidrofilni lipid (neesterifikovaniholesterol, fosfolipidi) napovršini

Lipoproteini u lumenukrvnog suda

HiHilomilomikkronronii, VLDL, VLDL LDLLDL HDLHDL

> 30 nm> 30 nm 2020––22 nm22 nm 99––15 nm15 nm

Klase lipoproteina

Celijska membrana

Membrane

• lipidne strukture, koje kao barijeraodvajaju i kontrolisu prostor saodredjenim sadrzajem u odnosu naokolnu sredinu

•

• plazma membrana odvaja celiju odspoljasnje sredine

• membrane organela (jedro, mitohondrije, lizozomi, peroksizomi) odvajaju sadrzaj organela odintracelijskog miljea (citosol)

• funkcija membrana

– zadrzava i koncentruje enzime/raznemolekule i jone za ispoljavanje odredjenefunkcije

– prisustvom transportera i receptora u membranama kontrolise se unutrasnjasredina i komunikacija celija ili organela saokolinom

Struktura membrana

• lipidni dvosloj sa ugradjenim proteinima(odnos lipida i proteina varira)

• bioloske membrane su asimetricne (sastavlipida sa obe strane je razlicit)

– unutrasnji sloj

– spoljasnji sloj

• fluidno-mozaicni model

– “uronjeni” proteini daju mozaicni izgled,

– lipidni molekuli mogu se kretati lateralnoduz membrane (fluidnost se povecava sapovecanjem nezasicenih masnih kiselina u fosfolipidnim molekulima)

Proteini membrane

• integralni proteini (deo membranskestrukture; odvajaju se samo narusavanjemintegriteta membrane organskimrastvaracima ili deterdjentima)

• periferni proteini (elektrostatickim vezama“prikaceni” za lipidni deo membrane iliintegralne proteine), (odvajaju se promenompH)

• mnogi proteini i lipidi sa spoljasnje stranecelijske membrane imaju vezanugljenohidratski lanac

– glikoproteini, glikolipidi

– cesto ima funkciju u celijskomprepoznavanju

– taj sloj se zove glikokaliks

Glikokaliks

Specificno vezivanje

Lipidi plazma membrane

• lipidni dvoslojfosfolipida

– orijentacija polarnogdela prema vodenojsredini

– ostaci masnihkiselina formirajunepolarni slojunutrasnjostimembrane

• glicerofosfo lipidi

– fosfatidilholin

– fosfatidiletanolamin

– fosfatidilserin

• sfingolipidi

– sfingomijelini

• lipidni sastav dvosloja asimetrican (razlicitogsastava lipida)

• holesterol

– odrzava fluidnost membrane (ali manje odcis-masnih kiselina)

• sprecava cvrsto “pakovanje”hidrofobnih lanaca

• tako omoguceno proteinima membrane da se krecu, rotiraju u okviru membrane

Uloga membranskih proteina

• integralni proteini

– transmembranski domeni sa hidrofobnimaminokiselinskim ostacima

– hidrofilni delovi proteina “ulaze” u vodenimedijum sa obe strane membrane

– funkcija kanali ili transporteri

• periferni membranski proteini

– elektrostatickim vezama povezani sapolarnim delovima lipida ili proteina(jonskim rastvaracima se lako odstranjuju)

– familija spektrin proteina

• vezana sa unutrasnje strane membrane

• mehanicki podrzavaju membranu

Transport molekula kroz plazmamembranu

• transportni sistem za male organskemolekule i jone

– pasivni transport (kretanje iz dela vecekoncentracije ka manjoj)

• obicna difuzija

• olaksana difuzija

• pore/kanali

– aktivni transport (kretanje iz delova manjekoncentracije ka vecoj)

• pumpama

• obicna difuzija

– kiseonik, ugljen dioksid, hidrofobnesupstance (steroidni hormoni)

• olaksana difuzija

– proteinskim nosacima (seceri)

Transport kroz membranu jekontrolisan kolicinom prisutnih

nosaca

• pore/kanali

– transmembranski proteiniformiraju pore za jone

– otvaraju se ili zatvaraju kaoodgovor na stimulus (promene u naelektrisanju, vezivanje nekog jedinjenja, regulatorne promene nadelu proteinskog molekulaokrenutog unutrasnjosticelije)

• aktivni transport pumpama

– potrebna je energija(najcesce hidrolizomATP), omogucenokretanje nasuprotkoncentracionomgradijentu

• endocitozom

– plazma membrana okruzuje neku cesticu, stranu celiju ili ekstracelijsku tecnost, formira se vezikula i oslobadja unutarcelije

• egzocitozom

– suprotan tok u odnosu na endocitozu

• proteini – membranski receptori

– obezbedjuju mehanizam kojim celija prati i odgovara na promene u okruzenju

– osnova medjucelijske komunikacije

– vezivanje liganda za membranu utice nakonformacione promene koje pokrecuspecifican programirani odgovor celije(najcesce vrlo kompleksan)