~ 1. UVOD U BIOHEMIJU ~1.1. BIOHEMIJA KAO NAUKA biohemija - hemija ivota, hemija ive elije prouava, opisuje i tumai: strukturu i funkciju biomolekula procese u ivim sistemima na molekularnom nivou prua fundamentalno objanjenje ivota omoguava razumevanje pojmova i pojava vezanih za ishranu i zdravlje objanjava molekularne osnove bolesti (dijabetes, srpasta anemija, kancer, Alchajmerova bolest, inflamatorni procesi...) i dejstva lekova prua osnovu za razvoj biotehnologije

5

Biohemija predstavlja hemiju ivota, odn. hemiju ive elije. To je disciplina koja primenjuje hemijske i fizike principe da opie komponente elija i tkiva i procese u njima. Moe se rei da je krajnji cilj biohemije odgovor na pitanje ta je ivot?. Predmet prouavanja biohemije su biomolekuli (organska jedinjenja koja izgrauju iva bia), njihova struktura, funkcija, kao i interakcije odn. procesi u ivoj eliji. emu biohemija? Ona nam omoguava da razumemo samu pojavu ivota, uslove neophodne za normalno funkcionisanje organizma (uklj. ishranu), objanjava molekularne osnove mnogih bolesti (npr. bolest srpastih elija, daltonizam, bolest ludih krava, Alchajmerova bolest, kancer, inflamacija...) i omoguava ciljani, sistematski razvoj lekova za njihovo tretiranje, i prua osnovu za razvoj biotehnologije. Zahvaljujui tome, biohemija je postala izuzetno popularna nauna disciplina koja se rapidno razvija. O tome svedoi i veoma veliki broj Nobelovih nagrada (za hemiju: 2002, 2003, 2004, 2006, 2008, 2009, za fiziologiju i medicinu: 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2006, 2009).

5

Zadatak biohemije je prouavanje: strukture i aktivnosti osnovnih biomolekula, metabolikih procesa razgradnje i biosinteze biomolekula, regulacije metabolizma, ekspresije gena, rasta i diferencijacije elije. Za ovo je neophodno poznavanje: osnovnih principa hemije (organske, fizike) i biologije, hemijskih struktura biomolekula i njihove reaktivnosti, bioloke funkcije biomolekula.

6

Koji su zadaci biohemije? (1) Prouavanje strukture osnovnih biomolekula, njihove fizioloke funkcije, kao i korelacije strukture i aktivnosti. (2) Prouavanje metabolizma, odn. degradacije unetih jedinjenja do jednostavnijih jedinica i sinteze sloenih jedinjenja potrebnih organizmu. (3) Prouavanje kontrolnih mehanizama kojima se metabolizam regulie. (4) Prouavanje ekspresije gena, tj. korienja genetskih informacija za biosintezu odgovarajuih funkcionalnih molekula. (5) Prouavanje rasta, razvoja, diferencijacije i replikacije elija. Da bi se ovo ostvarilo, neophodno je poznavati osnovne hemijske i bioloke principe (poto su mehanizmi u ivim i neivim sistemima sutinski isti), strukture biomolekula i njihovu reaktivnost, kao i ulogu koju ti biomolekuli imaju u ivom sistemu.

6

1.2. MOLEKULARNE OSNOVE IVOTA Osnovne karakteristike ive materije: 1. sloenost, visok stepen organizacije 2. specifinost funkcija 3. mogunost korienja energije iz okoline i konverzije energije 4. sposobnost samoreprodukcije uprkos velikoj sloenosti, svi ivi organizmi izgraeni su od identinih osnovnih gradivnih blokova i koriste sline metabolike puteve zajedniko poreklo (zajedniki predak) 1. sve bioloke komponente izgraene su skoro u potpunosti od 6 elemenata: C, H, O, N, P, S 2. sloeni molekuli su izgraeni iz limitiranog broja elementarnih blokova. 3. svi organizmi imaju sline biohemijske puteve 4. svi organizmi koriste skoro identian genetski kod7

Svu ivu materiju na Zemlji karakterie visok stepen sloenosti i organizacije elije se sastoje od velikog broja razliitih biomolekula, koji imaju strogo definisane funkcije i ije su interakcije visokokoordinisane i visokoorganizovane. ive sisteme takoe karakterie sposobnost da uzimaju energiju iz okoline (u vidu suneve svetlosti, hrane i sl.), transformiu je, skladite u vidu hemijske energije i po potrebi koriste za pokretanje hemijskih procesa ili mehaniki rad. Na kraju, ovi sistemu pokazuju i sposobnost samoreprodukcije tj. stvaranja novih individualnih organizama. 1. 2. 3. 4. isti dominantni elementi (BTW, od kojih mnogi nisu preterano zastupljeni u neivom svetu) isti ogranieni set elementarnih blokova slini biohemijski putevi (npr. glikoliza ista kod bakterije i oveka) skoro identian genetski kod (kod mitohondrija i nekih organizama se eventualno 1-2 kodona razlikuju po znaenju)

7

1.3. POREKLO IVOTA Sunev sistem formiran pre 4,6109 godina Zemlja nastala pre 4,54109 godina visoke temperature, vulkanska aktivnost, bombardovanje meteoritima, odsustvo vode i O2 nepovoljni uslovi za ivot vulkanska aktivnost, asteroidi i komete donose vodu i gasove formiraju se okeani (pre 4,44,2109 godina) i atmosfera (H2O, CO2, N2, H2S, SO2, bez O2) pre oko 4109 godina formira se ivot detalji nepoznati uslovi: brojni izvori energije: munje, vulkani, UV zraenje (nema O3) aktivacija nema atmosferskog O2, visoko redukciona atmosfera vea stabilnost omogueno stvaranja niskomolekularnih org. molekula (AK, azotne baze) iz prostih neorganskih8

(druga mogunost: organski molekuli doneti iz svemira kometama)

8

Miller-Urey-ev eksperiment (1952): abiotska sinteza osnovnih organskih molekula simulirani uslovi na mladoj Zemlji: atmosfera: H2O, H2, CH4, NH3 ciklus isparavanje-kondenzacija elektrino pranjenje

dobijen veliki broj organskih molekula: aminokiseline, eeri, lipidi uslovi eksperimenta nisu u skladu sa dananjim shvatanjima, ali on ipak demonstrira mogunost abiogeneze

9

U prilog teoriji o abiotskoj sintezi () osnovnih biomolekula idu rezultati M-U eksperimenta...

9

manji molekuli se polimerizuju (naneti/adsorbovani na stenama, pesku, ilovai? dehidratacija) proteini, NK formiraju se samoreplikacioni molekuli osnova nasleivanja RNK verovatno prvi molekul sa mogunou replikacije i nasleivanja moe nastati abiotski moe imati katalitiku aktivnost (ribozimi) u rastvoru nukleotida moe stvarati nove lance RNK po principu komplementarnosti:

U A G C

C A G

G C G C A A U

GAAU ACCG A CUU ACCG A UGGC U

ACCG A UGGCC ACCG A UGGCC

U

prirodna selekcija: opstaju samo molekuli koji se mogu replicirati i odbraniti od razlaganja10

10

pakovanje u sloenije strukture praelije (protobionti/koacervati) = agregati abiotski formiranih molekula okruenih membranom ili slinom strukturom lipozomi mehurii (vezikule), sa dvoslojnom membranom od fosfolipida (PE, PC), ispunjeni vodom mogu u upljinu da prime organske molekule i koncentruju ih semipermeabilni osmotski transportuju vodu mogu imati membranski potencijal mogu da se fuzioniu (rastu) i razlau (dele)

11

11

u probionte se mogu inkorporirati enzimi apsorbuju se supstrati iz spoljanje sredine i oslobaaju se proizvodi metabolizam inkorporiranje RNK i pomou nje nastalih proteina kompartmentalizacija procesa formiranje elije u kojoj su koncentrisane materija i energija kljuni korak u razvoju ivota nastaje sistem sposoban za: replikaciju uzimanje i skladitenje energije katalizu orkestraciju hemijskih reakcija promenljivost i raznolikost

A

A Enz B

B

Replikacija RNK

Katalitiki procesi

Sinteza proteina12

12

razvoj ivota vremenska skala:3,8 Ga 4,2-4,4 Ga prestanak okeani bombardovanja

2,4 Ga kiseonina katastrofa

4,54 Ga Zemlja

3,8 Ga prokarioti

3 Ga fotosinteza (cijanobakterije)

2 Ga eukarioti

1 Ga 600 Ma 2,5 Ma vieelijski ivotinje Homo organizmi

13

13

1.4. ELIJA morfoloka jedinica i osnova ivota osnovna gradivna jedinica svih organizama elija je neprekidni izotermni sistem koji poseduje sposobnost samosastavljanja, samoregulacije i samoreplikacije i koji razmenjuje materiju i energiju sa spoljanjom sredinom (A. Lehninger). elija je mali vodeni odjeljak ogranien elijskom membranom. ovek ima oko 1015 elija

14

elija je osnovna jedinica ivota svi ivi organizmi predstavljaju ili jednu samostalnu eliju ili se sastoje od velikog broja povezanih elija. Jednostavno se moe opisati kao kapljica vode, u kojoj su rastvoreni biomolekuli, a koja je okruena i od okoline razdvojena lipidnom plazma-membranom. Vieelijski organizmi poseduju veliki broj elija, tipino diferenciranih (sa razliitom morfologijom i funkcijom). Npr., ovekov organizam sadri oko 1015 elija.

14

Hijerarhija konstituenata:

1. prekursori iz ivotne sredine (Mw 1844): CO2, H2O, O2, N2, NH3, NO3-, S, P... 2. intermedijeri (Mw 50250): monosaharidi, aminokiseline, masne kiseline, nukleotidi 3. makromolekuli (Mw 103109): proteini, polisaharidi, nukleinske kiseline 4. supramolekulski sklopovi (Mw 106109): membrane, ribozomi, hromatin 5. organele (Mw 106109): jedro, mitohondrije, ER, Goldijev aparat...15

elija je visokoorganizovani, hijerarhijski izgraen sistem, u kome se jednostavnije komponente udruuju gradei sloenije sklopove. Pritom, ove komponente ne predstavljaju sluajni podskup od beskonanog broja moguih kombinacija C, H, N, O, S i P broj razliitih biomolekula prisutnih u eliji je ogranien, i obuhvata samo molekule neophodne za rast, razvoj i reprodukciju elije. Neorganske prekursore iz okoline elija konvertuje u jednostavnija organska jedinjenja, koja dalje predstavljaju gradivne blokove za izgradnju biolokih makromolekula (polimera). Makromolekuli dalje meusobno nekovalentno interaguju i organizuju se u razliite supramolekulske sklopove sa definisanom funkcijom (multienzimski kompleksi, membrane, ribozomi, hromatin, elementi citoskeleta). Makromolekuli i supramolekulski sklopovi dalje se organizuju u organele membranom odvojene jedinice sa definisanim setom funkcija.

15

1.4.1. elije prokariota jednoelijski organizmi carstva Bacteria i Archaea relativno jednostavne strukture, bez jedra i veine organela cirkularna DNK

16

Morfoloki, razlikujemo dva tipa elija: prokariotske i eukariotske. Prokariotske su obino nezavisne, odn. pripadaju jednoelijskim organizmima iz dva carstva: Bacteria i Archaea. elije prokariota su jednostavnije i manje od eukariotskih (tipino 110 m), i ne poseduju jedro ni membranom okruene organele (mada poseduju odeljke, okruene proteinskim poliedrima). Bakterije najee karakterie prisustvo elijskog zida, sastavljenog od peptidoglikana, koji nalee na plazmatsku membranu i daje joj mehaniku vrstou. Druga karakteristina osobina je da se DNK nalazi u citoplazmi, umesto u vidu hromozoma u jedru, kao kod eukariota. Takoe, DNK je cirkularna (ciklina), za razliku od eukariotske koja je linearna. Uprkos injenici da imaju veoma jednostavan genom, prokarioti su sposobni za izvoenje veine biohemijskih reakcija koje se javljaju kod viih organizama, uklj. oveka. Na kraju, mnoge na povrini poseduju proteinska vlakna (piluse) za vezivanje za druge elije, kao i bieve (flagele) koji omoguavaju aktivno kretanje kroz vodenu sredinu.

16

1.4.2. elije eukariota

ivotinjska elija

biljna elija17

Veina organizama, uklj. biljke, ivotinje, gljive i protiste predstavljaju eukariote. Eukariotske elije su znatno sloenije. Znaajna karakteristika je prisustvo niza struktura ogranienih lipidnom membranom elijskih organela, koje obezbeuju kompartmentalizaciju razliitih biohemijskih procesa i skladitenje metabolita. Eukariotske elije znatno su vee od prokariotskih (~103 vea zapremina). Poseduju kompleksne mehanizme (uklj. transportne i motorne proteine, citoskelet, mreu membrana) za transport materija i komunikaciju, kako unutar elije, tako i sa okolinom. Izmeu biljnih i ivotinjskih elija postoje znaajne razlike. Dok oba tipa sadre niz uobiajenih organela, odreene strukture javljaju se samo u jednom carstvu. ivotinjske elije poseduju lizozome (koji omoguavaju razgradnju hranljivih materija) i centrozome (reguliu elijski ciklus). S druge strane, biljne elije karakteriu plastidi (u kojima se odvija fotosinteza, sinteza pigmenata, sekundarnih metabolita, skladitenje masti itd.), vakuole (skladite materije, reguliu pH, daju mehaniku otpornost...) i elijski zid (daje mehaniku otpornost...).

17

1.4.2.1. elijska membrana

oligosaharid glikolipid fosfolipidi

ekstracelularna tenost

citoplazma

holesterol integralni proteini citoskelet18

elijska membrana (plazma membrana, plazmalema) je bioloka membrana koja razdvaja unutranjost elije (citoplazmu) od spoljanje sredine. Primarno se sastoji od tankog dvosloja amfipatinih () fosfolipida, koji se spontano orijentiu tako da se hidrofilne glave usmeravaju ka vodenoj sredini a nepolarni repovi ka unutranjosti membrane. Moe se smatrati dvodimenzionalnom tenou u koju su uronjeni molekuli proteina koji se slobodno kreu. Ovi molekuli proteina mogu imati funkciju enzima, receptora, transportera, omoguavati komunikaciju sa susednim elijama ili atheziju. Zahvaljujui svojoj polupropustljivosti, odn. selektivnoj propustljivosti, elijska membrana omoguava odravanje konstantnog sastava elije i kontrolisanu razmenu materije sa ekstracelularnim matriksom, odn. unos molekula neophodnih za preivljavanje i normalno funkcionisanje, i izbacivanje otpadnog materijala.

18

1.4.2.2. elijski zid

lipopolisaharidi

spoljanja membrana periplazmatski prostor peptidoglikani plazma membrana

gram-pozitivna bakterija

gram-negativna bakterija

19

Kod biljaka, bakterija, gljiva, algi i nekih arhea uz elijsku membranu prisutna je dodatna struktura elijski zid. Ova struktura je vrsta i obezbeuje eliji dodatnu mehaniku i osmotsku otpornost. Sastav elijskog zida zavisi od tipa elije kod biljnih, izgraen je od celuloze, kod bakterija od peptidoglikana itd. U nekim sluajevima, javljaju se dodatni slojevi spoljanja lipidna membrana kod gram-negativnih bakterija, ligninski sloj kod drvenastih biljaka itd. (Garrett 203)

19

1.4.2.3. Citoskelet odreuje oblik elije omoguava kretanje itave elije i organela unutar elije regulie organizaciju unutarelijskih struktura dinamike strukture (brza disocijacija i asocijacija) promena oblika, kretanje

20

Citoskelet predstavlja dinamiku strukturu, proteinskog sastava, koja daje eliji oblik, titi je mehaniki, omoguava kretanje elije, uestvuje u intracelularnom transportu i deobi elije. Na slikama su dati elektronski mikrograf i ematski prikaz. Citoskelet kod eukariota sastoji se od tri osnovna tipa filamenata. Mikrofilamenti, sastavljeni od proteina aktina, imaju ulogu u kretanju elije i odravanju oblika. Intermedijarni filamenti, sainjeni od keratina, vimentina, neurofilamenata, dezmina, laminina, doprinose mehanikoj snazi i stabilnosti elije i organela. Mikrotubuli, sainjeni od a- i b-tubulina i pomonih proteina (kinezin i dienin) uestvuju u razdvajanju hromozoma u mitozi i unutarelijskom transportu.

20

1.4.2.4. Jedro (nukleus) sve elije sem zrelih eritrocita dvostruka jedarna membrana sa vie stotina pora koje omoguavaju transport malih i makromolekula sadri DNK (hromatin) vezanu za proteine

- euhromatin aktivna forma - heterohromatin gusto pakovan, neaktivan DNK je organizovana u hromozome (hromozom ini jedan linearni DNK molekul povezan sa proteinima histonima) hromozomi vidljivi samo za vreme deobe jedarce (nukleolus) - mesto sinteze rRNA

21

Jedro (nukleus) je jedna od najveih i najuoljivija organela, koja moe da zauzima i do 50 % zapremine elije. Poseduju ga sve eukariotske elije sem zrelih eritrocita. Okrueno je karakteristinom dvostrukom jedarnom membranom sa porama koje omoguavaju transport makromolekula mRNK, rRNK i proteina. Mesto je lokalizacije najveeg dela DNK elije (deo je u mitohondrijama i hloroplastima). Veina eukariota sadri mnogo vie DNK od prokariota; dalje, umesto jednog ciklinog molekula, prisutno je vie linearnih. Svaki molekul DNK vezan je u kompleks sa proteinima radi efikasnijeg pakovanja, gradei hromatin, koji dalje gradi hromozome. U toku veeg dela elijskog ciklusa, hromatin je u razmotanoj, aktivnoj formi (euhromatin), i na njemu se vri transkripcija. U fazi deobe, gusto se pakuje (heterohromatin) gradei inaktivne hromozome karakteristinog izgleda. U jedru se uoava i posebna struktura jedarce (nukleolus), koje nema posebnu membranu, a u kome se sintetie rRNK.

21

1.4.2.5. Endoplazmatski retikulum (ER) mrea tubularnih membrana i pljosnatih cisterni koja se nadovezuje na membranu jedra hrapavi ER sadri ribozome sinteza proteina namenjenih sekreciji Goldijev aparat glatki ER - nastavak hrapavog ER biosinteza membranskih lipida, deo metabolizma eera detoksifikacija pomou enzima zasnovanih na citohromu P-450

22

ER predstavlja mreu membrana organizovanih u tubule, vezikule i cisterne, koja se nadovezuje na jedarnu membranu. Dve osnovne vrste su hrapavi i glatki ER. Hrapavi ER, tako nazvan zbog brojnih ribozoma na povrini, sintetie proteine namenjene sekreciji izvan elije, i dostavlja ih dalje u Golgijev aparat. Glatki ER uestvuje u nizu metabolikih procesa, ukljuujui biosintezu lipida i steroida, metabolizam ugljenih hidrata, regulaciju koncentracije Ca2+, detoksifikaciju...

22

1.4.2.6. Ribozomi agregati rRNK i proteina kod eukariota podjedinice 60S+40S, kod prokariota 50S+30S mesto sinteze proteina u eliji na povrini membrane hrapavog ER sintetiu proteine namenjene ER u citoplazmi - u obliku polizoma (vie povezanih ribozoma koji prepisuju isti molekul mRNA)

23

Ribozomi predstavljaju agregate rRNK i proteina. Na njima se odvija proces translacije odn. sinteze proteina na osnovu genetskog materijala...

23

1.4.2.7. Golgijev aparat serija odvojenih pljosnatih vreica (cisterni) i mehuria (vezikula) - cisterne (4-8, ali moe i do 60) meusobno komuniciraju putem vezikula - ER cis-Golgi medijani endo trans-Golgi raspodeljuje proteine i dostavlja ih do elijske membrane ili nekih organela kao to su lizozomi razliite posttranslacione modifikacije - procesuiranje N-vezanih glikoproteina - biosinteza O-vezanih glikanacis-Golgi medijalni Golgi transfer-vezikula trans-Golgi

sekretorna vezikula24

Golgijev aparat predstavlja seriju naslaganih membranskih vreica cisterni, podeljenih u nekoliko funkcionalnih regiona. Svaki region sadri razliit set enzima, koji slui procesuiranju odreenih molekula. Transport sadraja izmeu cisterni obavlja se pomou vezikula... Funkcija Golgijevog aparata je modifikovanje, rasporeivanje i pakovanje makromolekula namenjenih sekreciji ili korienju unutar elije. Tipino, on prihvata proteine dostavljene vezikulama iz hrapavog ER, modifikuje ih (glikoziluje, fosforiluje), i zatim alje do elijske membrane ili sekretornih vezikula (u cilju izluivanja) ili endozoma.

24

1.4.2.8. Mitohondrije energetska postrojenja elije aerobna proizvodnja ATP (oksidativna fosforilacija) elipsoidne, 23 m 0,5-1 m, okruene dvostrukom membranom sopstveni genom ciklina mtDNK, ~16 kbp, kodira 13 proteina (enzimi elektrontransportnog niza), 22 tRNK i 2 rRNK potiu od simbiotskih prokariota?spoljanja membrana unutranja membrana meumemb. prostor matriks kriste

25

Mitohondrije su organele koje se esto opisuju kao elijske elektrane, poto se u njima generie najvei deo hemijske energije, vezane u vidu ATP. Sastoji se od dve membrane, spoljanje i unutranje, izmeu kojih je meumembranski prostor. Prostor okruen unutranjom membranom naziva se matriks. Unutranja membrana je naborana, gradei kriste, ime se znatno poveava njena aktivna povrina. Svaki od navedenih prostora poseduje karakteristian set enzima i ima razliitu metaboliku funkciju. Jo jedna znaajna karakteristika mitohondrija je da poseduju sopstveni genom cirkularne molekule DNK od oko 16 kbp, koji kodiraju RNK i enzime respiratornog niza. Zbog prisustva ciklinog DNK i dvostruke membrane smatra se da su mitohondrije nastale od endosimbiotskih prokariota.

25

1.4.2.9. Hloroplasti u organizmima sposobnim za fotosintezu (zelene biljke, protisti) apsorbuju svetlost i generiu hemijsku energiju tilakoidna membrana mesto odvijanja fotosinteze cirkularna DNK, viestruke membranske strukture potiu od simbiotskih prokariota (cijanobakterija)?

26

Hloroplasti su organele prisutne u zelenim biljkama i drugim organizmima sposobnim za fotosintezu. Imaju funkciju apsorpcije Suneve svetlosti i konverzije u hemijsku energiju, uskladitenu u vidu ATP. Kao i mitohondrije, poseduju viestruke membranske strukture, kao i sopstvenu cirkularnu DNK. Pored spoljanje i unutranje membrane, prisutne su dodatne diskolike membranske strukture tilakoidi, naslagane u granume. Membrana tilakoida je mesto odvijanja fotosinteze.

26

1.4.2.10. Lizozomi sferni, 0,11,2 m, omeeni jednostrukom membranom sadre hidrolitike enzime za razgradnju ugljenih hidrata (amilaze), masti (lipaze), proteina (proteaze) i nukleinskih kiselina (nukleaze), i H+ (pH = 4,8) uestvuju u procesima razgradnje hrane, fagocitovanih virusa i bakterija, kao i recikliranja istroenih elijskih komponenti

1.4.2.11. Peroksizomi male organele, po veliini sline lizozomima uestvuju u metabolizmu masnih kiselina... sadre oksidativne enzime koji koriste molekulski kiseonik pri emu nastaje toksini H2O2 u peroksizomima, H2O2 je izolovan + razlae se katalazom

27

27

1.5. HEMIJSKI KONSTITUENTI ELIJE voda (70 %, 1) makromolekuli (22 %, ~5000) proteini polisaharidi nukleinske kiseline monomeri aminokiseline i prekursori (0,4 %, ~100) eeri i prekursori (3 %, ~200) nukleotidi i prekursori (0,4 %, ~200) lipidi i prekursori (2 %, ~50) drugi mali molekuli (0,2 %, ~200) koenzimi, metaboliti... neorganski joni (1 %, 20) elementi koji ulaze u sastav biomolekula: C, H, O, N, P, S. joni potrebni za normalnu funkciju elije: Na+, K+, Cl, Ca2+, Mg2+, Zn2+, Fe2+, Fe3+ elementi potrebni u malim koliinama (mikroelementi): I, Co, Mo, Se, V, Ni, Cr, F...

28

elije su sastavljene od irokog spektra malih molekula i makromolekula. Glavna komponenta elije, koja ini 70 % njene mase, je voda. Ona predstavlja veoma polaran rastvara, u kome se hidrofilni molekuli dobro rastvaraju, dok je rastvorljivost nepolarnih (hidrofobnih) supstanci mala. Pored vode, makromolekula i organela, citosol sadri i male molekule razliite strukture i funkcije: monomere makromolekula, kao i koenzime i razliite intermedijere. Kao to je ve pomenuto, svi biomolekuli sastoje se od 6 osnovnih elemenata, sposobnih za kovalentno povezivanje, koji ine preko 97 % mase organizma. Zanimljivo je da elementi koji su u prirodi relativno retki (C) predstavljaju dominantne komponente ivog sveta, a neki veoma uobiajeni (Si, Al, Fe, Ni) su prisutni samo u tragovima. Pored CHNOPS, i niz drugih elemenata neophodan je (u manjim ili veim koliinama) za normalno funkcionisanje elije, izgradnju nekih biomolekula, regulaciju aktivnosti enzima i kanala itd.

28

1 biomolekuli

PROTEINI

UGLJENI HIDRATI

LIPIDI

NUKLEINSKE KISELINE

Aminokiseline Peptidi Proteini

Monosaharidi Disaharidi Oligosaharidi Polisaharidi

Prosti Sloeni

Nukleozidi Nukleotidi Nukleinske kiseline

makromolekuli

29

Prvi, vei deo ovog kursa bie posveen primarnim biomolekulima. Primarni biomolekuli predstavljaju jedinjenja zajednika za sve organizme, koja igraju centralnu ulogu u metabolizmu i razvoju elija, ili predstavljaju strukturne elemente, nasuprot sekundarnim biomolekulima koji su esto specifini za odreene organizme i imaju ulogu u adaptaciji. U ovu klasu spadaju: 1. aminokiseline i njihovi polimeri proteini, 2. ugljeni hidrati (mono-, oligo- i polimeri), 3. lipidi, i 4. nukleinske kiseline i njihovi monomeri. Treba naglasiti da se svojstva biolokih makromolekula znaajno razlikuju od svojstava njihovih monomernih jedinica, to i doprinosi kompleksnosti elije. U toku ovog kursa, detaljno emo prouavati svaku od navedenih klasa.

29

MakromolekuliNEINFORMACIONI INFORMACIONI

1. Polisaharidi: skladini oblici energije i strukturni sastojci elija i tkiva 2. Lipidi: skladini i transportni oblici metabolikog goriva, strukturni sastojci elijskih membrana

1. Nukleinske kiseline: uvaju i prenose genetsku informaciju 2. Proteini: proizvodi gena. Katalitika funkcija

30

Polimerne biomolekule odn. makromolekule moemo podeliti u dve kategorije informacione i neinformacione. Neinformacioni se tipino sastoje od jedne (ili, eventualno dve) monomerne jedinice koje se ponavljaju, i stoga su siromani informacijama. S druge strane, informacioni polimeri imaju visokoureen, dobro definisan redosled monomernih jedinica, tzv. sekvencu, koja u sluaju n.k. nosi genetsku informaciju, dok kod proteina rezultuje specifinom aktivnou (npr. katalitikom). Iako su svi proteini izgraeni od istih 20 AK, pokazuju izuzetno irok spektar f-ja upravo zahvaljujui razliitoj sekvenci.

30

Lipidi ugljovodonine strukture slabo rastvorni u vodi glavni sastojci membrana depo i izvor energije signalni molekuli zatitna uloga ...O O O O O O P OO O O O O O-

O

NH3

+

HOHO

O

31

Sada emo ukratko predstaviti osnovne klase biomolekula detaljan prikaz bie dat u narednim predavanjima. Lipidi su biomolekuli koje karakterie rastvorljivost u nepolarnim organskim rastvaraima i slaba rastvorljivost u vodi. Strukturno su raznovrsni, mada svi sadre duge ugljovodonine nizove ili sisteme prstenova. Imaju brojne funkcije predstavljaju strukturne sastojke biolokih membrana, depo energije, hormone..., komponente elektron-transportnog sistema, termoizolaciju i mehaniku zatitu...

31

Proteini polipeptidiH2N O R NH R O NH O R NH R O NH O R NH R O NH O R OH

najsloeniji makromolekuli elije funkcije: katalizatori (enzimi) transporteri (hemoglobin, membranski transporteri) skladina uloga (mioglobin) strukturna uloga (kolagen, aktin) motorna uloga (miozin) zatitna (imunoglobulini)

32

Proteini su po strukturi polipeptidi, odn. polimeri aminokiselina vezanih peptidnom vezom. Predstavljaju najsloenije makromolekule, jer su sainjeni od 20 razliitih osnovnih jedinica aminokiselina (koje dodatno mogu biti modifikovane), od kojih mnoge u bonom nizu sadre razliite funkcionalne grupe OH, NH2, COOH, SH, CONH2... U strukturi se dodatno mogu javiti i razliite neproteinske komponente prostetine grupe, koje dodatno proiruju njihovu funkcionalnost. Od broja, prirode i prostornog rasporeda razliitih funkcionalnih grupa zavisie i bioloka aktivnost i funkcija proteina. Proteini, u odnosu na ostale biomolekule, pokazuju najiri spektar funkcija: katalitiku, transportnu, skladinu, strukturnu, motornu, zatitnu, regulacionu...

32

Ugljeni hidratiOH

mnogo polarnih OH grupa vodorastvorni mono-, di-, oligo-, polisaharidi

HO HO OH HO HO O OH HO

O OH HO O OH

OH O OH O O O OH HO

izvor energije za eliju (glukoza) izvor gradivnih blokova rezerva energije (skladini polisaharidi) strukturna uloga - konstituenti elijskog zida komponente nukleinskih kiselina i koenzima

O OH HO O OH O O OH OH

OH HO HO O OH OH

33

Ugljeni hidrati sastavljeni su najee samo od C, H i O. Karakterie prisustvo velikog broja hidroksilnih grupa, to ih ini polarnim i (sem nekih polimera) vodorastvornim. Na osnovu sloenosti mogu se podeliti na mono-, oligo- i polisaharide. Kao i lipidi i proteini, imaju vie funkcija: predstavljaju neposredni izvor energije za eliju, izvor osnovnih gradivnih blokova (piruvat...), skladini polisaharidi (skrob, glikogen) predstavljaju depoe energije, imaju strukturnu funkciju (celuloza, hitin)..

33

Nukleinske kiseline najvei molekuli u eliji polinukleotidiN HO N N O O HO P O O N O NH2 O HO P O O N O NH2 O HO P O O N O O HO P OH O N O N O N N NH NH2 O NH2 N

funkcije: DNK nosilac genetske informacije RNK sa DNK uestvuju u biosintezi proteina

34

Nukleinske kiseline odn. polinukleotidi predstavljaju najvee molekule u eliji. Ureeni su polimeri nukleotida, koji se sa svoje strane sastoje od azotne baze, pentoze i fosforne kiseline. Molekuli DNK, kojih u eliji ima od 1 do nekoliko desetina, uvaju genetsku informaciju, odn. uputstva za biosintezu proteina. RNK, koja se javlja u 3 glavne forme informaciona, transportna i ribozomalna uestvuje u dekodiranju genetskih informacija i biosintezi proteina.

34

Voda predominantna komponenta elije niz jedinstvenih svojstava polarnost ( = 78,5) sposobnost formiranja H-veza sposobnost rastvaranja i solvatisanja irokog spektra molekula i jona nukleofil/lako odlazea grupa reaktant/proizvod brojnih metabolikih r-ja amfoterna prima/otputa H+

interakcija sa biomolekulima utie na njihovu strukturu i funkciju pribl. tetraedarski molekul polarna veza: OH+

35

35

poseduje 1) vodonik vezan za elektronegativni atom, 2) slobodan elektronski par na elektronegativnom atomu sposobna da gradi H-veze (i kao donor i kao akceptor)

+O H H

H

:OHR

+O H

H

:OH R

+O H H

:OR

H-veze su relativno slabe ali brojne zajedno sa drugim meumol. interakcijama utiu na formiranje 3D-strukture biomolekula molekuli (proteini, NK) uvijaju se tako da hidrofilne grupe (koje mogu da interaguju sa vodom) budu na povrini

hidrofilne AK hidrofobne AK

36

36

jedna od posledica brojnih H-veza u tenoj vodi: hidrofobni efekat (hidrofobne interakcije, hidrofobne veze): hidrofobni molekul zamenjuje H2O u mrei H-vezanih molekula entalpijski nepovoljno (manji broj H-veza) u cilju maksimizovanja broja H-veza, reetka se reorganizuje i stvaraju se kavezi (klatrati) od H2O molekula oko hidrofobnog rastvorka veoma ureene strukture, mnogo molekula sa ogranienom slobodom entropijski nepovoljno agregacija kavez smanjenje povrine odn. broja ureenih molekula H2O sumarni efekat: naizgled se hidrofobni molekuli agregiraju zbog meusobnog privlaenja

37

37