1. Tipovi hemijskih veza i interakcija značajnih za biohemijske sisteme (kovalentne i nekovalentne).

Kovalentna veza je veza dva atoma koji dijele zajedničke elektrone. Pojam kovalentno zapravo dolazi od ko (u smislu udruženoga) i valentna (dakle zajednička valencija). Ako neki atom, na primjer, ima valenciju +1 (tj. nedostaje mu elektron) a drugi valenciju -1 (tj. ima elektron viška) tada bi rezultat bio veza između ta dva atoma naprosto zbog njihovih tendencija da podijele ravnotežu u valencijama.

Nekovalentne veze je tip hemijske veze koja nije bazirana na postojanju zajedničkog elektronskog para. Postoje četiri tipa nekovalentnih interakcija: vodonične veze, jonske veze, van der Valsove sile i hidrofobne interakcije.

2. Aminokiseline: struktura, klasifikacija i kiselobazne osobine.

Aminokiseline su jedinjenja koja sadrže amino grupu (-NH2) i karboksilnu grupu (-COOH). U sastav aminokiselina ulaze sledeći elementi: C, H, N i O. Aminokiseline izgrađuju proteine i učestvuju u metaboličkim procesima. Aminokiseline čine 20% svih organskih molekula koji izgrađuju ćelije, tkiva i organe. U prirodi postoji više od petsto aminokiselina, ali se proteini svih vrsta, od bakterija do ljudi, prvenstveno sastoje od samo njih dvadeset. Odrastao čovek može sintetisati sve izuzev osam aminokiselina. Ovih osam se zovu esencijalne aminokiseline , zbog toga što se moraju unositi hranom. Enormna struktura i funkcionalna složenost proteina proizilazi iz različitih kombinacija ovih aminokiselina koje se vezuju u polimere i asocijate sa različitim neproteinskim supstancama.[2][3][4]

Sve aminokiseline koje grade proteine su α-aminokiseline pošto su amino i karboksilne grupe vezane za isti, α-atom ugljenika. Pored amino i karboksilne grupe, strukturu aminokiselina određuje i bočni lanac koji se naziva i ostatak i obeležava se sa R. R-grupe sadrže karakteristične osobine pojedinih aminokiselina, i mogu ih činiti alifatični ili aromatični bočni lanci koji mogu sadržati druge reaktivne grupe, mogu biti više ili manje polarne, hidrofilne ili hidrofobne itd.

Struktura i svojstva aminokiselinaAmino - grupa i karboksilna grupa u molekulu aminokiselina vezane su za isti atom, α-atom ugljenika, prema tome to su α-aminokiseline i mogu se prikazati sledećom opštom formulom (slika 1) R grupa predstavlja bočni niz, a to mogu biti samo alkil grupe ili neka polarna grupa vezana za nju. Poseban slučaj je aminoetanska kiselina (glicin, CH2-COOH) čiji bočni lanac je vodonik. Kod svih aminokiselina koje ulaze u sastav proteina, sem jedne (glicin), alfa ugljenikov atom je asimetričan (hiralan) te se stoga mogu naći u obliku dva enantiomera. Dokazano je da sve aminokiseline koje sintetiše humani organizam imaju relativnu L konfiguraciju. Postoje aminokiseline koje imaju dva hiralna

1

centra (izoleucin i treonin), što znači da imaju po dva para enantiomera. Aminokiseline koje su poznate odavno, imaju uglavnom trivijalna imena koja su dobila prema biljnim ili životinjskim tkivima u kojima su prvobitno pronađeni (glutamin prema pšeničnom brašnu glutenu, tirozin prema grčkoj reči za sir itd.). Imaju hemijske nazive kao derivati kiselina u kojima je supstitucija izvršena sa tačnom oznakom položaja bočnog lanca i supstituenta.

Najvažnija hemijska reakcija aminokiselina je formiranje peptidne veze koja omogućava povezivanje dve aminokiseline i stvaranje lanca aminokiselina (peptida i proteina). Peptidna veza je veza između karboksilne grupe jedne aminokiseline i amino grupe druge aminokiseline, u kojoj se atom ugljenika karboksilne grupe vezuje za atom azota uz oslobađanje molekula vode. U formiranju molekula vode učestvuju -OH iz karboksilne grupe i vodonik iz amino grupe.

Opsta formula AK u nejonizovanoj formi:

PodjelaNa osnovu R grupe:

Nepolarne alifatične (glicin, alanin, valin, leucin, metionin, izoleucin) Aromatične (triptofan, tirozin, fenilalanin)

Polarne nenaelektrisane (serin, treonin, cistein, prolin, asparagin, glutamin)

R-ostatak

2

Pozitivno naelektrisane (lizin, arginin, histidin)

Negativno naelektrisane (asparaginska kiselina i glutaminska kiselina).

U vodenom rastvoru AK-na, disosuju α-amino i α-karboksilna grupa.

U vodenom rastvoru aminokiseline postoje u obliku ravnotežne smješe bipolarnog jona, katjonskog i anjonskog oblika. Udio pojedinih oblika i položaj ravnoteže zavise od pH sredine.

Gly će u jako kiseloj sredini da bude u svom protonovanom obliku, u jako baznoj sredini u svom deprotonovanom obliku (glicinat). Na određenom pH koje nazivamo

3

izoelektrična tačka (pI), koncentracija protonovane amino grupe biće jednaka koncentraciji karboksilnog anjona .

Na osnovu titracione krive glicina vidimo kako se ponaša u kiseloj, a kako u baznoj sredini, tj imamo pK vrijednosti koje pokazuju onu vrijednost pH na kojoj je kiselina poludisosovana.

Pri niskom pH AK pretežno imaju pozitivno naelektrisanje, ponašaju se kao baze(akceptori protona), a pri visokom pH imaju negativno naelektrisanje, ponašaju se kao kiseline (donori protona). To znači da AK imaju izraženu amfoternu osobinu. U približno neutralnoj pH, AK se ponaša i kao baza i kao kiselina i ukupno naelektrisanje je jednako nuli (bipolarni cviter jon) i tada se AK nalazi u pI. Sve ove osobine proističu iz prisustva 2 funkcionalne grupe NH2 i COOH, koje postoje u svakoj AK.

PEPTIDI

Najvažnija hemijska reakcija AK je formiranje peptidne veze. Međusobnim povezivanjem manje od 100 AK nastaju peptidi. Prema broju AK peptidi se označavaju kao: dipeptidi, tripeptidi. Oligopeptidi su sa 12 do 20 AK.

4

Hormoni vazopresin (9 AK, kontrolise sekreciju vode urinom), glukagon (29 AK, antagonist insulina, povecava konc glukoze u krvi), neurotransmiter b-endorfin (31 AK).

Peptidna veza je osnova (kičma) peptidnog lanca.

Redoslijed aminokiselina u proteinu - aminokiselinska sekvenca.

Označavanje linearnog redoslijeda AK-ostataka od N-terminusa ka C-terminusu.

PROTEINI

Proteini ili belančevine su veliki organski biomakromolekuli sastavljeni od amino kiselina, koje su poređane u linearne lance i spojene međusobno peptidnim vezama između ugljenikovog atoma i amino grupe dve aminokiseline. Sekvenca amino kiselina u proteinu definisana je u genima i sadržana u genetičkom kodu. Genetički kod određuju 20 „osnovnih“ amino kiselina. Proteini mogu da deluju zajedno da bi tako lakše dostigli određene funkcije i zato se vezuju u stabilne komplekse. Kao i svi biološki makromolekuli, kao što polisaharidi i amino kiseline, i proteini ulaze u sastav živih organizama i učestvuju u svim procesima među ćelijama.

Funkcije proteina:

Strukturni proteini (ćelijski zid) Zaštita (imunoglobulini) Kataliza (enzimi) Transport (hemoglobin)

5

Odbrana (zmijski otrov) Regulacija (hormoni) Pokreti (mioglobin)

Ono što proteine čini posebnim jesu stadijumi više organizacije molekula koje nastaju specifičnim vezivanjem lanaca aminokiselina koja mogu biti:

1. Primarna 2. Sekundarna 3. Tercijarna 4. Kvaternerna

Primarna struktura proteina je njegova jedinstvena amino kiselinska sekvenca i raspored disulfidnih mostova. Broj i raspored amino kiselina varira od proteina do proteina. Direktna informacija o rasporedu je sadržana u genima, a raspored disulfidnih mostova i 3D struktura zavisi i od drugih faktora. I najmanja promjena u primarnoj strukturi može značajno uticati na ukupnu strukturu i funkcionisanje proteina.

6

Sekundarna struktura proteina je lokalna konformacija polipeptidnog lanca zasnovana na vodoničnim vezama. Međutim veze koje stabilizuju sekundarnu strukturu su: disulfidni mostovi, polarne interakcije, vodonične veze. Podrazumeva lokalnu 3D strukturu, zasnovanu na pravilno raspoređenim vodoničnim vezama. Osnovni oblici koji se podrazumijevaju pod sekundarnom strukturom su α-heliks, β-nabrana struktura (β-ravan) i β-zavoj. Sekundarna struktura proteina nije nepromenjiva, te su moguće konformacione promene vezane za funkcionisanje proteina, promene u okolini.

α -heliks α-heliks je najrasprostranjenija sekundarna struktura proteina. Nastaje tako što se polipeptidni lanac veliki br puta uvija udesno u vidu spirale oko zamišljenog cilindra. U jednom zavoju α-heliksa se nalazi 3,6 aminokiselinskih ostataka. Stabilizovan je vodoničnim vezama između N-H i C=O grupa iz polipeptidne kičme. Prosječna dužina heliksa u globularnim proteinima je 11 AK-ostataka ili 3 zavoja. Bočni lanci svih AK su usmjereni od heliksa.

β -nabrana ploča

7

Sastoji se iz susjednih polipeptidnih nizova, međusobno povezanih vodoničnim vezama.- Definiše se kao heliks sa 2 AK po okretu koji formira nabranu strukturu.- b-nabrana ploča predstavlja najizduženiju moguću peptidnu strukturu.

U pitanju može da bude isti polipeptidni lanac koji se više puta savija i vraća u istim smjerovima (paralelnim) ili suprotnim smjerovima (antiparalelnim).

β zaokret Makromolekul se naglo presavija, praktično za 180o i vraća ka unutrašnjosti molekule (globularni proteini).

trostruki heliks3 paralelna polipeptidna lanca koji se uvijaju jedan oko drugog u vidu užeta. Ovo je osnovna 2o struktura kolagena.

Tercijarna struktura proteina je zasnovana na nizu različitih interakcija: - između bočnih grupa i peptidne kičme i okoline (vode)- bočnih grupa i bočnih grupa- bočnih grupa i peptidne kičme -riječ je o “long-range” interakcijama (interakcije između dijelova polipeptidnog lanca udaljenih jedni od drugih). Interakcijom bočnih grupa AK, polipeptidni lanci se presavijaju, slažu, uvijaju i formiraju konačni oblik makromolekule proteina koji može biti u vidu lopti, slojeva, kristala, vlakana, itd. Zasniva se na uspostavljanju nekoliko tipova veza između atoma u sastavu proteina: Van der Waalsove veze, jonske, vodonične veze, disulfidni mostovi, hidrofobne interakcije.

8

Van der WaalsSlaba veza koja nastaje na osnovu privlačenja dipol-indukovani dipol označava se kao Van der Waals-ova veza. Iako se radi o najslabijoj i vezi najkraćeg dometa (opada sa 10-6), zbirno gledano ona je veoma bitna za energetsku stabilizaciju date 3o strukture. Privlače se suprotno naelektrisani krajevi dipolnih molekula (privlačne sile su elektrostatske prirode).

Jonske vezeUspostavlja se između negativno naelektrisanih grupa i pozitivno naelektrisanih grupa. Npr. negativno naelektrisane karboksilne grupe u bočnom lancu aspartata ili glutamata i pozitivno naelektrisane amino grupe iz bočnog lanca lizina.

Vodonične vezeLong-range vodonične veze su bitni stabilizatori 3o strukture proteina.U proteinu su skoro svi donori i akceptori vodonične veze postavljeni tako da mogu da je oforme. Uspostavlja se između bočnih grupa AK koje imaju O i onih koje imaju H vezan

9

za N. Nastaju ne samo između N-H......O=C nego i između bočnih ostataka i polipeptidne kičme kao i između bočnih ostataka.

S-S mostoviJako čvrste kovalentne veze između atoma sumpora. Ova veza najviše doprinosi

stabilnosti proteina, jer je relativno najjjača, štiti molekulu od denaturacije.. Formiraju se tek kada se oforme ostale slabije veze koje je lakše korigovati.

Hidrofobne interakcije

10

Voda je polarni rastvarač, tako da je za AK sa nepolarnim bočnim grupama energetski povoljnije da se udalje od vode. AK sa nepolarnim bočnim grupama najčešće grade nepolarno jezgro proteina. Ona je rezultat činjenice da svi nepolarni bočni lanci AK imaju tendenciju da se lociraju u sredinu proteina, kada je protein u vodenom okruženju, svi polarni bočni lanci teže da se smjeste sto bliže polarnom solventu. Na taj način nepolarne R grupe AK se zbijaju u sredinu molekule, jer ih hidrofobnost primorava da se postave što bliže istim talvim grupama. Konformacija je osjetljiva na sastav sredine, npr. ako dodamo ureu (nepolarna) dolazi do gubitka uređene 3D strukture.

Kvaternerna struktura proteina je prostorni raspored polipeptida u proteinima koji imaju više podjedinica. Prostorni raspored podjedinica u okviru proteina predstavlja njegovu kvaternarnu strukturu . Kvarternu strukturu proteina srećemo, na primer, kod hemoglobina. U okviru kompleksa, svaki polipeptidni lanac predstavlja jednu podjedinicu.

Podjedinice imaju očuvanu primarnu, sekundarnu i tercijernu strukturu .

Kvarternarna struktura je stabilizovana vodoničnim vezama i hidrofobnim interakcijama između polipeptidnih lanaca koji predstavljaju podjedinice.

11

FIBRILARNI PROTEINI

Fibrilni proteini - sekundarna struktura čini dominantan strukturni motiv

Jedna od važnih karakteristika je nerastvorljivost u vodi.

Najčešće imaju strukturnu, motornu i zaštitnu funkciju.

Neki od fibrilnih proteina su: a i b keratin, fibroin, kolagen, elastin.

Alfa keratin

α-keratini –grupa proteina koja predstavlja glavnu komponentu epidermalnog tkiva i nalazi se kod svih viših kičmenjaka.Osnovna komponenta rožnatih struktura (oklop kornjače, nokti, rog, kosa, vuna, perje ptica).Bogat je cistinom, S-S veze povezuju susjedne polipeptidne nizove i daju čvrstinu α –keratinu.

Elastičnost se zasniva na disulfidnim mostovima; postoji tvrdi keratin sa većim brojem mostova (rogovi) i meki, elasatičniji keratin sa manjim brojem mostova (vezivno tkivo u koži). Dva lanca sastavljena iz dimera naslonjena jedni na druge čine protofilament, koji su npr. u kosi organizovani u mikro- i zatim u makrofilamente.

12

Beta keratin

On je znatno čvršći od alfa keratina, pa se nalaze u krljuštima i kandžama mnogih životinja, njihovim egzoskeletima, kljunu, itd..

FibroinStukturni protein – svila, paukove niti...Polipeptidni lanci formiraju antiparalelne b-nabrane strukture.

KolagenNajrasprostranjeniji protein kod kičmenjaka.Stukturni protein – vezivno tkivo u kostima, ligamentima, krvnim sudovima.

13

Jedan molekul sadrži preko 1000 AK.Sastoji se iz tri upletena lanca – trostruki heliks.Zasnovan je na vodoničnim vezama i kovalentnim povezivanjima bočnih ostataka.

ElastinElastin je elastični strukturni protein – zidovi velikih krvnih sudova, pluća...Dužina vlakna se može povećati nekoliko puta i vratiti u prethodno stanje po prestanku delovanja sile.Formira 3D mrežu vlakana zasnovanu na interlančanim kovalentnim vezama.

GLOBULARNI PROTEINI

Unutrašnjost i spoljašnost globularnih proteina su dobro definisane:

ostaci nepolarnih AK (Leu, Ile, Val, Met i Phe) usmereni su gotovo isključivo ka unutrašnjosti molekula proteina.

naelektrisani ostaci polarnih AK (Arg, Lys, His, Glu, Asp) usmereni su gotovo isključivo ka površini.

nenaelektrisani ostaci polarnih AK sreću se i u unutrašnjosti, kao i na površini proteina.

gotovo sve grupe koje mogu da grade vodonične veze postavljene su tako da se te veze oforme.

Oni su izuvijani i kompaktno sabijeni u vidu klupka, zbog čega molekula zauzima sferičan oblik. U pitanju je tercijarna struktura. Rastvorljivi su u vodi. Neki: albumini, globulini, histoni, enzimi...

14

Mioglobin Porin-membranski protein

DENATURACIJA PROTEINA

...predstavlja gubitak biološke funkcije proteina. Do denaturacije proteina najčešće dolazi:

1. povišenjem temperature od 10 ºC iznad fiziološke temperature (40-50ºC)2. na jako niskim ili visokim pH vrijednostima (<3 i >11)3. djelovanjem specifičnih agensa kao što su urea, gvanidin hidroklorid,

merkaptoetanol ili deterđenti4. dodatkom organskih rastvarača5. pri povećanim koncentracijama teških metala

Denaturacija se objašnjava odmotavanjem i dezorganizacijom sekundarne, tercijarne i kvaternerne structure proteina. Denaturacija u idealnim uslovima može biti reverzibilan process kada se denaturišući agens ukloni.

pri pH < 3 proteini potpuno gube negativno naelektrisanje, a pri pH > 11 u najvećoj mjeri gube pozitivano naelektrisanje tako da dolazi do raskidanja jonskih veza Þ raskidanje i drugih nekovalentnih veza koje stabiliziraju konformaciju proteina (mehanizam “patent zatvarača”)

Visoke koncentracije uree (6 – 8 M) (ili gvanidinhidroklorida) dovode do denaturacije proteina.Reverzibilan proces jer uklanjanjem uree protein može ponovo uspostaviti nativnu konformaciju.Urea može graditi vodonične veze sa aminokiselinskim ostatcima u proteinu i to kao proton donor i proton akceptor Þ dovodi do raskidanja vodoničnih veza koje stabilizuju sekundarnu i tercijarnu strukturu proteina.

15

b-merkaptoetanol izaziva redukciju disulfidnih veza koje su bitne za stabilnost nativne konformacije.

ANFISENOV EKSPERIMENT

Kako dolazi do uvijanja proteina u nativnu- fiziološki aktivnu konformaciju?Uvijanje proteina u nativnu konformaciju globule u fiziološkim uslovima je spontan proces -informacija za trodimenzionalnu strukturu proteina se nalazi u njegovoj primarnoj strukturi.

Protein (ribonukleaza) je denaturisan kombinaciom uree (raskida vodonične veze) i b-merkaptoetanola (redukcijom raskida disulfidne mostove).

Nativna ribonukleaza DenaturisanaNativna ribonukleaza Denaturisana(aktivna) (neaktivna)(aktivna) (neaktivna)

16

Šta se desilo kad su uklonili prvo ureu, pa onda b-merkaptoetanol?

Ribonukleaza se potpuno renaturisala (povratila originalnu strukturu) i uočano je 100% početne aktivnosti, tj. potpuno je obnovljena funkcija.

Ribonukleaza je spontano uspostavila svoju prirodnu 3D strukturu.1Ostruktura određuje 2o i 3o strukturu.Proteini su sposobni da samoorganizuju svoju 3D strukturu.Ali kako teče ova samoorganizacija?Šta se desilo kada je prvo uklonjen b-merkaptoetanol, tj. kada je dozvoljeno da se disulfidne veze oforme prije hidrofobnih i vodoničnih veza?Kada je prvo uklonjen b-merkaptoetanol, povraćen je samo 1% od početne aktivnosti.Ribonukleaza je sa istom učestalošću napravila sve moguće kombinacije 4 disulfidna mosta (njih 105), od kojih je samo jedna bila aktivna kada je uklonjena i urea.

Zaključak?Kod uvijanja proteina formiranje hidrofobnih interakcija i vodoničnih veza

prethodi stvaranju kovalentnih disulfidnih veza, dakle postoji redosled.

Denaturisana ribonukleaza Nativna Denaturisana ribonukleaza Nativna (neaktivna) (neaktivna)

(aktivna) (aktivna)

ZakljuZaključčak?ak?

17

Put uvijanja (folding pathway) – prioritet tipova veza 1. Lokalno uvijanje (stvaranje 2Ostruktura)2. Hidrofobne interakcije3. Jonske i vodonične veze4. Disulfidni mostovi

Na putu ka pravoj konformaciji, protein kreće prvo sa formiranjem lokalnih struktura i nisko-energetskih veza, koje je najlakše ispraviti, da bi završio sa najjačim, kovalentnim vezama.

DOMENI

Proteini (jedan polipeptidni niz) sa više od 200 AK često se sastoje od nezavisnih i strukturno odvojenih jedinica – domena.Proteini koji imaju različite domene, prvo započnu formiranje tih domena, pa ih onda prostorno dalje organizuju. Domeni pokazuju sve karakteristike malog globularnog proteina.Domeni su kompaktne strukture a obično su povezani fleksibilnim polipeptidnim nizom.Mnogi enzimi koji učestvuju u složenim reakcijama imaju odvojene funkcionalne domene za koje je vezana određena funkcija. Kalmodulin ima 2 domena koji vezuju Ca2+ povezana samo jednim dugim a-heliksom

18

ČAPERONI

U in vivo uslovima uvijanje proteina poslije biosinteze omogućava niz proteina koji se nazivaju molekulskim čaperonima.Način funkcionisanja nije potpuno poznat, međutim zna se da interaguju sa hidrofobnim strukturama datog proteina, i da mnogima treba ATP za aktivnost.

Razlike između proteina sa 3o i 4o strukturom _ mioglobin i hemoglobin

Mioglobin (Mb) je molekul koji transportuje kiseonik u mišićima, sastoji se iz jednog polipeptidnog lanca.

Hemoglobin je smješten u eritrocitima i prenosi kiseonik u krvi.

Hemoglobin (Hb) ima 4 subjedinice (a2b2), a subjedinice imaju 3o strukturu veoma sličnu i međusobno i sa Mb.

Svaka subjedinica ima po jednu Hem grupu za koju vezuje po jedan O2

19

ODREĐIVANJE STRUKTURE PROTEINA

Tehnike: kristalografija x zracima (rendgenska strukturna analiza), određivanje HPLC-om.

Rendgenska strukturna analiza

Talasna dužina x zraka odgovara dimenziji atoma u molekulu. Propuštanjem monohromatskog snopa x zraka preko kristalnog molekula proteina, x zraci difraktuju dajući sliku na fotografskom filmu. Dorothy Crowfoot Hodgkin, nobelova nagrada za hemiju 1964 god.

Mapa elektronskih gustina _ atomski model molekula _ struktura proteina

Određivanje HPLC-om

Određuje se konc. Svake AK smjese. Koristi se instrument analizator AK (amino acid analyzer) i sequenator. Sijeku se peptidne veze egzo i endopeptidazama. Postoje enzimi i hemijski reagensi koji sijeku peptidne veze samo iza nekih AK, npr tripsin samo iza + naelektrisane ili cijenogen bromid samo iza Met. Fragmenti se zatim razdvajaju elektroforezom na osnovu veličine te je moguće odrediti relativan položaj AK.

TALOŽENJE PROTEINA

1) Dijaliza – odvajanje proteina od malih molekula. Upotrebljavaju se filtri čije su pore manje od veličine bjelančevina, ali dovoljno velike da bez teškoće kroz njih prolaze mikromolekule.

2) Frakciono taloženje : - organskim rastvaračima – alkoholom ili acetonom. Radi se o taloženju solventima koji se miješaju sa vodom i u kojima se bjelančevine ne rastvaraju. Dejstvo se zasniva na dehidrataciji proteinske molekule. - podešavanjem pH na pI – kada je ukupno naelektrisanje molekula proteina blisko nuli, odbijanje među molekulima je najmanje, dolazi do privlačenja i nastajanja agregata koji se talože.

20

- neorganskim solima – zasniva se na smanjenju rastvorljivosti proteina u prisustvu velikih količina soli. U slučaju da se rastvoru proteina dodaje so (amonijum sulfat), rastvorljivost proteina se mijenja u zavisnosti od konc dodate soli i promjena je različita za različite proteine. Pri većim konc soli dolazi do smanjenja rastvorljivosti i taloženja proteina, jer joni soli kao jači elektroliti, privlače vodu iz hidratacionog sloja proteina sa same površine proteina. Ovdje je potrebno voditi računa i o pH rastvora.-taloženje povišenom temperaturom – zagrijavanje rastvora pojedinih proteina dovodi do njihovog taloženja. Uglavnom se tako taloženje albumini i globulini. Ovo taloženje je ireverzibilno.

3) Hromatografija

Gel filtracija je proces razdvajanja proteina i drugih biomolekula na osnovu njihove veličine (molekularne mase) i oblika. Kod ove metode razdvajanja smjesa proteina ili makromolekula nanosi se na kolonu ispunjenu stacionarnom fazom - prethodno hidriranim (nabubrenim) česticama inertne tvari (gela) koje sadrže pore određenih veličina, te ispire (eluira) sa kolone pomoću eluensa tj. pufera za gel filtraciju koji predstavlja mobilnu fazu. Eluira li se otopina koja sadrži proteine različitih veličina (molekularnih masa) kroz kolonu, molekule koje su veće od pora ne mogu ući u pore većprolaze kroz prostor između čestica gela nošene eluensom, dok manje molekule ulaze u pore čestica gela, prave veći put te zaostaju za većim molekulama. Pri tome, što je molekula manja to ona može ući u više pora, pravi veći put te više zaostaje za većim molekulama. Velike molekule stoga brže putuju kroz kolonu od malih molekula.

Jonoizmjenjivačka hromatografijaNa kolonu jonoizmjenjivača koja je uravnotežena puferom odg pH, nanese se rastvor smjese proteina. Proteini koji se ne vezuju za kolonu, pod datim uslovima eluiraju sa početnim puferom, dok se proteini koji se zadržavaju na koloni eluiraju sa većom zapreminom istog pufera. Eluiranje proteina koji su se vezali može se postići i promjenom pH pufera.

Afinitetna hromatografijaBazira na visoko specifičnoj biološkoj interakciji, npr. između antigena i antitela, enzima i supstrata, receptora i liganda. Kada se kroz kolonu, napunjenu čvrstim nosačem (Sephadex, agaroza) za koji je vezan ligand, propusti smjesa proteina, na njoj će se zadržati samo proteini koji specifično interaguju sa datim ligandom.

4) Elektroforeza , tehnika kojom se razdvajaju naelektrisane čestice pod dejstvom homogenog električnog polja. Pokretljivost obezbjedjuje pufer, a nosač je uglavnom poliakrilamidni gel ili agaroza

21

SDS gel elektroforeza

Nativna elektroforeza

Pufer za uzorke ne sadrži beta merkaptoetanol i uzorci se ne kuvaju.

22

Izoelektrofokusiranje

23

4) CentrifugiranjeCentrifugiranje je sedimentacija čestica pod uticajem centrifugalne sile i upotrebljava se za razdvajanje vrlo finih suspenzija. Kod centrifugiranja se koriste sile do 10 000 puta veće od sile gravitacije, a kod ultracentrifuga i do 600 000 puta veće. Brzina kretanja čestica je u funkciji rezultanti sila koje ubrzavaju i koje usporavaju kretanje čestica u datom sistemu.Sila koja ubrzava kretanje čestica je centrifugalna Fc, dok su sile koje usporavaju kretanje čestica sila potiska i sila unutrašnjeg trenja.

ENZIMI

Enzimi- biološki katalizatori. Katalizatori u živim sistemima.

Katalizatori- ubrzavaju hemijske reakcije, a pri tome se sami hemijski ne mjenjaju.

Karakteristike enzima kao katalizatora• ubrzavaju hemijske reakcije najmanje milion puta• iz reakcije enzim izlazi nepromjenjen• enzimska aktivnost se može regulisati• visoko su specifični, uglavnom katalizuju jednu reakciju• velika je specifičnost enzima za supstrat

Klasifikacija enzima

1.Oksidoreduktaze – procesi oksidacije i redukcije (laktat dehidrogenaza) 2. Transferaze - prenos hemijskih grupa između molekula: transaminaze (amino grupu), kinaze (fosfatnu grupu), metilaze (metil grupa) 3. Hidrolaze - dodavanje ili uklanjanje H2O sa molekula (fosfateze, peptidaze, lipaze) 4. Liaze - raskidanje (C-C, C-O, C-N), ostaju molekuli sa jednom dvostrukom vezom (dekarboksilaze, sintaze) 5. Izomeraze -transfer hemijskih grupa uokviru molekula: epimeraze, mutaze... 6. Ligaze – veze između dva supstrata uz potrošnju energije ATP-a.

Imena enzima se obično završavaju na -aza

Imena hidrolaza se izvode iz imena supstrata npr.urea + aza = ureazalaktoza – oza + aza = laktaza

Neki enzimi su naziv dobili prema reakciji koju katalizuju: laktat dehidrogenaza, piruvat dekarboksilaza

Izuzetci: katalaza, pepsin, himotripsin, tripsin

24

Aktivno mjesto enzima - mjesto vezivanja supstrata

Modeli vezivanja enzim -supstrat

Ključ-brava model

Aktivno mesto je rigidno i pripremljeno za supstrat koji savršeno odgovara., onemogućivši vezivanje drugih molekula neodgovarajućeg oblika.

Model indukovanog uklapanja

Supstrat indukuje promjene u strukturi enzima.

25

Kofaktori

Neproteinski dijelovi enzima neophodni za enzimsku aktivnost.

Apoenzim + kofaktor = holoenzim

Kofaktori :1. Koenzimi2. Prostetičke grupe3. Metalni joni

Koenzimi intermedijerni nosači funkcionalnih grupa, specifičnih atoma ili elektrona u enzimskim reakcijama. Koenzimi su vitamini ili njihovi derivati: NAD, NADP (nikotin adenin dinukleotid fosfat) (derivati B3, nikotinamina), FAD (flavin adenin dinukleotid), FMN (derivati vitamina B2).

Prostetičke grupe, čvrsto vezane za enzim, kovalentno ili nekom drugom vezom (HEM).Hem se sastoji od organskog dijela (protoprfirin izgrađen iz četiri pirolne grupe) i atoma Fe. U biološkim sistemima je protoprfirin IX (sa četiri metilna, dva vinilna i dva propionatna bočna lanca).

Metalni joni _ često vezani dipolnim interakcijama za His ili druge polarne grupe (Zn u karboksipeptidazi, Cu Zn u SOD). Funkciju u vezivanju supstrata, stabilizacija ili formiranje aktivnog centra.

Enzimska aktivnosti

Sposobnost enzima da ubrzavaju hemijske reakcije zove se enzimska aktivnost. Mjerenje enzimske aktivnosti _ na osnovu nestajanja supstrata ili nastajanje

proizvoda u vremenu. (Mjerenje aktivnosti uglavnom spektroforometrijski u UV/VIS opsegu talasnih dužina. Prema Lamber-Berovom zakonu apsorbanca je proporcionalna koncentraciji:

A= abc a-ekstinkcioni koeficjent, b-put svijetlosti, c-koncentracija supstrata.)

Primjeri:1. Aktivnost peroksidaze, porast koncentracije proizvoda _ porast apsorbance 430 nm.2.Aktivnost askorbat peroksidaze, smanjenje koncentracije supstrata_ smanjenje apsorbance 260 nm.

Jedinica enzimske aktivnosti:Internacionalna jedinica (U) definisana kao sposobnost enzima da katalizuje prevođenje 1 mmol supstrata u proizvod za minut.Aktivnost od 1 katala ima enzim koji prevede 1 mol supstrata u proizvod za 1s.

26

Enzimska kinetika

Enzimska kinetika se bavi izučavanjem uticaja različitih faktora (temperatura, pH, koncentracije supstrata, inhibitora) na brzinu enzimski katalizovane reakcije.

1. Temperatura. Ako pratimo zavisnost brzine reakcije od temperature _ povećanje temperature _ brzina prvo raste a zatim opada. Temperatura na kojoj brzina reakcije ima maksimalnu vrijednost naziva se optimalna temperatura.

Smanjenje brzine na većim temperaturama je posledica smanjenja aktivnosti uslijed denaturacije proteina. Do denaturacije dolazi zbog narušavanja tercijarne i kvaternarne strukture proteina koje se održavaju uglavnom pomoću slabih nekovalentnih interakcija.

2. pH utiče na vezivanje supstrata za enzim _ supstrat sadrži grupe koje mogu disosovati, a za enzim se vezuju samo u protonovanom ili deprotonovanom obliku. Koncentracija H+ jona utiče i na enzim. Na određenom pH koje nazivamo optimalnim brzina enzimski katalizovane reakcije je najveća.

optimalna temperatura

27

Do smanjenja aktivnosti enzima sa promjenom pH dolazi zbog denaturacije enzima ili promjena jonizacionog stanja grupa u aktivnom centru.

Michaelis-Mentenova kinetika

L. Michaelis i M. Menten _ jednačina za objašnje enzimske aktivnosti.Za jednosupstratne reakcije i intermedijer je specifičan kompleks ES (enzim - supstrat)

v = vmax * (S)/ Km * (S)

Km je jednaka koncentraciji supstrata pri kojoj je brzina reakcije dostiže polovinusvoje najveće vrijednosti.

Pri niskoj koncentracija supstrata, v je direktno proporcionalna koncentraciji supstrata.Pri visokoj koncentraciji suspstrata, brzina je najveća, nezavisna o koncentraciji supstrata.

Ako je količina enzima konstantna, povećanje konc substrata će rezultirati u povećanju brzine e reakcije. Međutim što se više konc S povećava, e reakcija će se usporavati i u jednom trenutku dalje dodoavanje S više neće uticati na brzinu reakcije. (prethodna jednačina definiše kvantitativni odnos između brzine e reakcije i konc S).

Michaelisova konstanta KM je karakteristična za svaki enzim i za svaki supstrat koji sa enzimom ulazi u reakciju.KM ima dimenzije koncentracije (mol/l).Za većinu enzima KM je između 10-2 i 10-7 mol/l.

28

KM je jednaka onoj koncentraciji supstrata pri kojoj se postiže polovina maksimalne brzine.Vrijednosti za KM zavise od prirode supstrata i od uslova u sredini (temperatura i jonska jačina).KM je mjera jačine ES kompleksa: KM je velika znači slabo vezivanje, KM je mala jako vezivanje.

Broj izmjene (turnover number)Vmax nije kinetička konstantna karakteristična za svaki enzim jer zavisi o koncentraciji enzima.

Određuje se broj izmjene _ dobija se dijeljenjem Vmax sa ukupnom količinom enzima (mol).

Broj izmjene predstavlja broj molekula supstrata prevedenih u molekule proizvoda u jedinici vremena kada je enzim potpuno zasićen supstratom.

Linearizacija M&M krive prema Lineweaveru i Burku_ recipročne vrijednosti za obe strane M&M jednačine

Dijagram 1/v prema 1/c(S)

1/Vmax1/KM-

nagibKM/Vmax

29

Ovaj tip linearizacije podrazumijeva da se na osnovu recipročnih vrijednosti za konc S i aktivnost enzima nacrta zavisnost. Grafik je linearan., gdje je odsječak na y osi recipr vrijednost Vmax, a na x osi, neg recipr vrijednost Km. Kako eksperimentalne vrijednosti ne mogu biti negativne, najniža granična vrijednost recipr konc S je nula (presjek sa y osom)

Inhibicija enzimske aktivnosti

Aktivnost enzima može biti inhibirana specifičnim malim molekulima i jonima. Na inhibiciji su zasnovani mehanizmi kontrole u biološkim sistemima.

Inhibicija može biti ireverzibilna i reverzibilna:

1. Ireverzibilna inhibicija _ inhibitor se veže kovalentnom vezom ili jako čvrsto za enzim i disocijacija je veoma spora.

2. Reverzibilna inhibicija: a) kompetitivna inhibicija – inhibitor je slične građe sa supstratom i veže se za aktivno mjesto. Kompetitivni inhibitor usporava katalizu tako što smanjuje broj aktivnih mjesta za koje se može vezati supstrat. b) nekompetitivna inhibicija -inhibitor i suspstrat se vežu za različita mjesta na enzimu.

Reverzibilna inhibicija

Kompetitivna inhibicija – inhibitor se veže za aktivni centar i spriječava vezivanje supstrata.

30

Zavisnost brzine reakcije od koncentracije supstrata

Kompetitivni inhibitor ne mjenja Vmax reakcije, ali je Km veća u prisustvu inhibitora.

bez inhibitorasa inhibitorom

koncentracija supstrata

31

Linewearev-Burk linearizacija

Kompetitivna inhibicija

Za razliku od nekompetitivne inhibicije sa dovoljno velikim koncentracijama supstrata kompetitivna inhibicija se može prevazići.

1/Vmax isti sa i bez inhibitora.

-različiti odsječci na x-osi (-1/KM)

bez inhibitorasa inhibitorom

32

Nekompetitivna inhibicija – vezujući se van aktivnog centra inhibitor indukuje konformacione promjene na enzimu koje sprečavaju vezivanje supstrata.

Zavisnost brzine reakcije od koncentracije supstrata

Nekompetitivni inhibitor smanjuje Vmax reakcije i ne mjenja Km.

bez inhibitorasa inhibitorom

33

Linewearev-Burk linearizacija

Nekompetitivna inhibicija

odsječci na x-osi isti 1/KM smanjuje se vmax ali se ne mijenja KM

Regulacija enzimske aktivnosti 1. Sinteza neaktivnog prekursora-zimogena i aktivacija na odgovarajućem fiziološkom mjestu i u vremenu.

Tripsin, enzim za varenje je primjer ovog načina regulacije aktivnosti. Sintetiše se u pankreasu u neaktivnom obliku-tripsinogen i aktivira se raskidanjem peptidne veze u tankom crijevu.

2. Kovalentna modifikacija – vezivanje hemijske grupe za enzim Na ovakav način je regulisana aktivnost enzima koji sintetišu i razgrađuju glikogen (fosforilna grupa se veže za enzim).

3. Fiziološka regulacija, hormonska regulacija. Laktozo-sintetaza, katalizuje sintezu laktoze. Enzim se sastoji iz dvije podjedinice (katalitičke i modifikovane). U toku trudnoće se stvara velika količina katalitičke subjedinice a malo modifikovane. Nakon porođaja, mjenja se nivo hormona, povećava se količina modifikovane subjedinice, veže se za katalitičku i povećava se sinteza laktoze.

4. Inhibicija povratnom spregom, proizvodom. Enzim koji katalizuje prvi korak u biosintezi inhibiran je krajnjim proizvodom. Primjer je treonin deaminaza, enzim koji

34

katalizuje prvi korak u biosintezi izoleucina. Kada koncentracija Ile dostigne odgovarajući nivo enzim je inhibiran.

Negativna povratna sprega

Tre Ile

Treonin deamina

za

35

Alosterni enzimi

Kinetička svojstva alosternih enzima se ne mogu objasniti M&M kinetikom.Alosterni enzimi su obično oligomerni molekuli sa kvarternarnom strukturom _ više subjedinica.Kod alosternih enzima vezivanje supstrata za jednu subjedinicu djeluje na aktivno mjesto druge subjedinice _ kooperativni efekat.Kriva zavisnosti brzine reakcije alosternih enzima od koncentracije supstrata je sigmoidna za razliku od hiperbolične kod enzima sa M&M kinetikom.

Razlike između enzima sa M&M kinetikom i alosternih enzima _ mioglobin i hemoglobin

Mioglobin (Mb) je molekul koji transportuje kiseonik u mišićima, sastoji se iz jednog polipeptidnog lanca.

Hemoglobin je smješten u eritrocitima i prenosi kiseonik u krvi.

Hemoglobin (Hb) ima 4 subjedinice (a2b2), a subjedinice imaju 3o strukturu veoma sličnu i međusobno i sa Mb.

Svaka subjedinica ima po jednu Hem grupu za koju vezuje po jedan O2

Zasićenje Mb i Hb sa kiseonikom se definiše stepenom zasićenosti vezivnih mjesta (Y).Y ima vrijednosti u opsegu od 0 (sva mjesta slobodna) do 1 (sva mjesta zauzeta sa O2).Zavisnost stepena zasićenosti o parcijalnom pritisku O2 (p(O2)) naziva se kriva disocijacije kiseonika.Za Mb ova kriva je hiperbolična dok je za Hb sigmoidna.

c(S)

v

36

Dva modela objašnjavaju alosterne interakcija: Usklađeni model Sekvencijalni model

Usklađeni model alosteričnih interakcija

J. Monod, J. Wyman i JP. Changeux, 1965. predložili model za tumačenje djelovanja alosternih enzima.

Primjena na enzime sa više subjedinica. Svaka subjedinica može postojati u jednoj od dvije konformacije: R (relaksirano)

- veliki afinitet za supstrat i T (napeto) - mali afinitet za supstrat. Subjedinice R i T mogu prelaziti jedna u drugu.

Za protein sa dvije subjedinice RR i TT su dozvoljene konformacije, dok je RT nedozvoljena konformacija.

Vezivanje supstrata je kooperativno. Bez supstrata sve subjedinice su u konformaciji T. Sa dodatkom supstrata ta ravnoteža se pomjera prema obliku R. Kada se supstrat veže za aktivno mjesto jedne subjedinice druga subjedinica takođe prelazi u R obliku _ prijelaz iz R u T je usklađen.

37

Sekvencijalni model alosteričnih interakcija

Model Dalijela Koshlanda, mlađegPretpostavke modela su: 1. postoje samo dva konformacijska stanja: R i T2. supstrat mijenja oblik podjedinice za koju se veže, a konformacija drugih podjedinica

se znatno ne mjenja.3onformaciona promjena izazvana vezivanjem supstrata za jednu subjedinicu može povećati ili smanjiti afinitet S za druge podjedinice.

Razlike između usklađenog i sekvencijalnog modela

1. Usklađeni model pretpostavlja da vezivanje supstrata izaziva konformacijski prelaz iz T u RUsklađeni model _ bitna je simetrija za interakciju subjedinica _ sve ili ništa

3. Konformacione promjene iz T u R prema sekvencijanalnom modelu se odvijaju u nizu, a ne usklađeno.Sekvencijalni model _ subjedinice mogu djelovati jedna na drugu i u različitim konformacionim stanjima.

38

Mehanizam kooperativnog vezivanja O2 za Hb

Hb postoji u dvije forme – deoksiHb i oksiHb. Kvaternarne strukture oksiHb i deoksiHb se znatno razlikuju.

Struktura deoksiHb se označava kao T (tense, napeta) dok se struktura oksiHb označava kao R (relaxed, opuštena).

Pri vezivanju O2 za hem, strukturna promjena unutar jedne subjedinice se prenosi na druge subjedinice i ravnoteža se pomjera prema R stanju.

Hb je metaloprotein za prijenos O2 koji sadrži Fe i nalazi se u crvenim krvnim zrncima kod kičmenjaka. Ime hemoglobin se sastoji od riječi hem i globin, što pokazuje da je Hb globularni protein koji sadrži hem grupu. Hem grupa se sastoji od organskog dijela i atoma Fe koji je odg za vezivanje O2. Kod ljudi Hb se sastoji od 4 podjedinice, od kojih je svaka sastavljena od proteinskog lanca koji je vezan sa neproteinskom hem grupom., tako da postoje 4 mjesta vezivanja O2. OksiHb nastaje tokom disanja, kada se O2 vezuje za hem u eritrocitima. DeoksiHb je oblik Hb bez vezanog O2.

Alosterni efekat

Četvrti molekul O2 se 300 puta jače veže za Hb od prvog, razlog za to je alosterni efekat.U deoksiHb sve molekule Hb su u T obliku. Vezivanje O2 pomjera ravnotežu prema R obliku, pa se prvi O2 veže za T a četvrti za R oblik. Oblik T ima 300 puta manji afinitet za O2 od oblika R.

Hb se može disocirati na subjedinice a i b. Osobine a-lanaca su slične osobinama Mb (imaju visok afinitet za O2, kriva

disocijacije O2 ima hiperbolični karakter vezivanje O2). Izdvojene b-subjedinice brzo grade tetramer (hemoglobin H) koji je bez alosternih

osobina. Iz navedenog se može zaključiti da alosterna svojstva Hb proističu iz interakcija

podjedinica. Funkcionalna jedinica Hb je tetramer.

39

NUKLEINSKE KISELINE

... su makromolekuli izgrađeni od velikog broja gradivnih jedinica, koje se nazivaju nukleotidi. Nukleotidi su monomerne jedinice, gradivni blokovi nukleinskih kiselina (RNA i DNA). Nukleotidi ulaze u sastav mnogih koenzima (NAD, koenzim A) i donori su fosfatnih grupa (ATP, GTP), šećera (UDP-, GTP-šećeri) ili lipida (CDP-acil glicerol). Regulatorni nukleotidi :

Sekundarni glasnici: cAMP, cGMP Kontrola oksidativne fosforilacije sa ADP. Alosterička regulacija enzimske aktivnosti sa ATP, AMP, CTP.

U sastav nukleotida ulaze: purinske ili pirimidinske baze → adenin, guanin, citozin, timin ili uracil šećer riboza ili deoksi riboza fosfatna grupa.

Reakcijom azotne baze sa pentozom dolazi do građenja nukleozida.

U nukleozidima je šećer sa heteročikličnom bazom povezan b-N-glikozidnom vezom.

40

Prema vrsti šećera koji ulazi u njihov sastav nukleinske kiseline se dijele na: Deoksiribonukleinske kiseline (DNA) -sadrže deoksiribozu. Ribonukleinske kiseline (RNA)- u njihov sastav ulazi riboza.

Po strukturi su polinukleotidi, izgrađeni od heterocikličnih baza, šećera i fosfata.Nukleinske kiseline su makromolekuli sa nekoliko nivoa organizacije:

1) primarna struktura (redoslijed nukleotida),2) sekundarna struktura – posledica sparivanja komplementarnih baza3) tercijarna struktura - potpuna prostorna struktura sa definisanim

položajem svih atoma.

DNA

DNA je molekul nasleđa. Po strukturi je končasta makromolekula, sastavljena od velikog broja deoksiribonukleotida. Purinske i pirimidinske baze u DNA nose genetičke informacije, šećerna i fosfatna grupa imaju strukturnu ulogu. Okosnicu molekula DNA čine deoksiriboze povezane fosfodiestarskim vezama. Fosfodiestarska veza povezuje 3’-hidroksilnu grupu jedne deoksiriboze sa 5’- fosforilisanom hidroksilnom grupom susjedne molekule. Promjenljivi (varijabilni) dio molekula DNA je njen redoslijed baza. DNA sadrži četiri vrste baza: dva purina- adenin (A) i guanin (G) i dva pirimidina- timin (T) i citozin (C).

Gotovo cjelokupna ćelijska DNA se nalazi u jedru, gdje ulazi u sastav hromozoma.

41

Watson i Crickov model DNA Dvostruka spirala (zavojnica) DNA

1953. model koji objašnjava trodimenzionalnu strukturu molekula DNA. Dva spiralna lanca polinukleotida su uvijena oko zajedničke ose. Purinske i pirimidinske baze su smještene u unutrašnjosti zavojnice (heliksa), a fosfatne i šećerne jedinice u spoljašnjem dijelu.Promjer zavojnice je 2 nm, razmak između susjednih baza je 0.34 nm. Spiralna struktura se ponavlja nakon deset nukleotida u svakom lancu, u intervalu od 3.4 nm.

Svaki lanac DNA ima svoju polarnost: jedan kraj lanca ima slobodnu 5’-OH grupu, a drugi 3’-OH grupu. Prema dogovoru, simbol ACG znači da se nepovezana 5’-OH nalazi na deoksiadeninu, a 3’-OH na deoksiguaninu pa se redoslijed baza piše u smjeru 5'® 3’. Dakle slično kao kod polipeptida, gdje se razlikuju N i C kraj lanca, kod polinukleotida je kkk 5′ kraj (koji čini prvi nukleotid) i 3′ kraj (posljednji nukleotid u nizu). Dva lanca su povezana vodoničnim vezama između baza. Adenin je uvijek povezan sa timinom i guanin sa citozinom. Redoslijed baza nosi genetičku informaciju.

5’-ATGCTGCAT-3’3’-TACGACGTA-5’

Ako dođe do raskidanja vodoničnih veza dva lanca dvostruke DNA se razdvajaju.Raskidanje vodoničnih veza je moguće zagrijavanjem rastvora DNA ili dodatkom kiseline ili baze (jonizacija baza). Razvijanje dvostruke zavojnice DNA naziva se topljenjem, jer se naglo dešava pri određenoj temperaturi. Temperatura topljenja (Tm) se definiše kao temperatura kod koje se izgubi pola spiralne strukture. Nagli karakter ovog prelaza ukazuje na to da spiralna struktura DNA predstavlja kooperativan proces. Topljenje DNA se lako može pratiti mjerenjem apsorbance na 260nm – razdvajanje parova baza dovodi do povećanja apsorbance (hiperhromni efekat). Tm DNA zavisi od sastava baza u molekulu. DNA molekuli bogati bazama GC imaju višu Tm od molekula sa više AT parova. Tm iz različitih biljnih i životinjskih vrsta u linearnoj je zavisnosti od sadržaja GC parova. GC parovi su stabilniji od AT parova jer su povezani sa tri umjesto dvije vodonične veze. DNA je vrlo dugačak molekul. Kod E. coli jedan je molekul DNA

42

izgrađen od 4 milijona baznih parova, duga je oko 1,4 mm (makroskopska veličina). DNA Drosophila melangaster, jedan molekul dužine 2.1 cm. Bazini proteini (histoni: H2a, H2b, H3 i H4) imaju važnu ulogu u organizaciji strukture DNK. Osnovna strukturna jedinica je nukleozom i grade je 4 bazna proteina obmotana sa DNK.

Replikacija DNA

Semikonzervativna: jedan lanac u molekuli kćerki se sintetiše ponovo, a jedan potiče iz roditeljske DNA. DNA polimeraze katalizuju replikaciju DNA.

Artur Kroneberg otkriće DNA polimeraze I (prva otkrivena DNA polimeraza) kod E. coli. Katalizuje dodavanje jedne po jedne jedinice deoksiribonukleotida u lanac DNA.(DNA)n + dNTP® (DNA)n+1 + PPiZa aktivnost DNK polimeraze je neophodno: prisustvo sva četiri deoksiribonukleotida i Mg2+. DNA –polimeraza dodaje dNTP na 3’-OH kraj postojećeg lanca (klica). Potrebno je prisustvo i DNA koja djeluje kao kalup (jednolančana ili dvolančana DNA). Tri DNA polimeraze su otkrivene u eukariotskim ćelijama α, δ, ε. Početak replikacije DNA je na tačno određenom mjestu na molekulu koje se naziva oridžin (origine) replikacije.Svaki oridžin replikacije produkuje dvije replikacione viljuške koje se kreću u različitim pravcima.

43

U replikacionoj viljušci oba lanca roditeljske DNA služe kao kalupi za sintezu nove DNA. Roditeljski lanci su antiparalelni pa bi smjer sinteze jednog lanca bio 5'®3', drugog 3'®5'. Sintezu novih lanaca DNA katalizuje DNA polimeraza. DNA polimeraze mogu sintetisati DNA samo u smjeru 5'®3'. Zbog toga se jedan lanac u smjeru 5'®3‘ sintetiše kontinualno, a lanac čiji je kalup u pravcu 3'®5‘ se sintetiše u obliku fragmenata (Okazakijevi fragmenti). Lanac koji se sintetiše kontinualno se naziva vodećim lancem (leading strand), a lanac koji nastaje iz Okazakijevih fragmenata se naziva tromim lancem (lagging strand). DNA polimeraza može dodavati nukleotide samo na već postojeći lanac (primer) i nije aktivna dok se primer sa slobodnim 3¢ OH ne veže za DNA templat (kalup). Primer sintetiše specifična ribonukleotid polimeraza, koja se naziva i DNA primaza Þ inicira sintezu primera sa purinskim ribonukleotidima. DNA polimeraza može da katalizuje i hidrolizu DNA sa 3' hidroksilnog kraja jednog lanca. Proizvodi hidrolize su mononukleotidi (DNA polimeraza je i 3’®5’ egzonukleaza). Nukleotidi koji se odstranjuju moraju imati 3’ –OH grupu slobodnu i ne mogu biti dvostruke zavojnice. Egzonukleazna aktivnost je važna jer odstranjuje pogrešno sparene ostatke prije nego se nastavi polimerizacija. Polimerizacija spriječava hidrolizu sa 3’ hidroksilnog kraja. DNA polimeraza ne može katalizovati spajanje dva lanca DNA ni kružno zatvaranje pojedinog lanca. DNA- ligaza je enzim koji katalizuje nastajanje fosfodiestarskih veza između lanaca DNA.

Prenos naslednih informacija

stari lanacnovosintetisani lanac

44

U svakom molekulu DNA se nalaze šifre za sintezu specifičnih proteina i RNA. Svaka šifra predstavlja određen dio u polinukleotidnim lancima DNA i naziva se gen. Kako replikacijom nastaju identične DNA i roditeljski geni će se naći I u potomcima, omogućavajući održavanje svih svojstava kkk za dati organizam. Geni ili nasledni faktori su biološke jedinice izgrađene od molekula DNA. Geni su nosioci karakteristika nekog organizma (boja kose, morfološke osobine). Imaju sposobnost identične reprodukcije (prenošenje osobine na nekoliko različitih generacija). Geni su podložni mutacijama (promjene naslednih faktora). Geni su lokalizovani na hromozomima.

Struktura hromozoma

Hromozomi prokariota

Bakterije obično imaju jedan hromozom- nukleoid. Nukleoid je uglavnom jedan molekul DNK koji je povezana sa baznim proteinima. Molekul DNA je kružnog oblika.

Hromozomi eukariota

Svaki hromozom sadrži jednu molekulu DNA i predstavlja jednu genetsku cjelinu.

Kariotip- svi hromozomi u jednoj ćeliji. Karakterističan je za vrstu i nepromjenljiv. Kariotip čovjeka sastoji se od 23 para hromozoma (ili 46 hromozoma), od kojih:

22 para čine autozomni i jedan par su polni hromozomi (gonozomi).

Autozomni hromozomi čovjeka nose gene za određivanje tjelesnih osobina. Polni hromozom ili gonozom determinišu pol čoveka i drugih vrsta. Kod čovjeka se nalaze dvije vrste polnih hromozoma: X i Y. Nasledne informacije kodirane su u molekulu DNA (redoslijed baza). Prenos informacija je omogućen principom sparivanja baza. Nasledna

45

informacija je sadržana u redosledu baza u DNA. Prema pravilu o sparivanju baza, svaka baza jednoznačno određuje odgovarajuću bazu sa kojom se uparuje. Redoslijed baza određuje redoslijed aminokiselina u proteinima. Tri baze u molekulu DNA određuju jednu AK. RNA omogućava prenos informacija sa DNA na strukturu proteina.

RNA

Postoje 3 osnovne vrste RNA u ćelijama: rRNA, tRNA, mRNA. Svaka vrsta ima kkk sastav baza, molekulsku masu i biološku funkciju. Sve RNA su jednolančani molekuli. rRNA su glavne komponente ribozoma. Ima katalitičku ulogu u biosintezi proteina i čini 80% ukupne mase RNA u ćeliji. tRNA su relativno mali molekuli koji sadrže 75-90 nukleotidnih ostataka. Učestvuju u procesu aktivacije i prenošenja AK pri biosintezi proteina. Ona donosi AK na ribozome za sintezu proteina. tRNA imaju oko 75 nukleotida Þ najmanje molekule RNA. Transportna RNA donosi aminokiseline u aktivnom obliku na ribozome gdje se gradi peptidna veza na osnovu redoslijeda koga određuje mRNA. Jedna tRNA može vezati samo jednu od 20 standardnih AK, ali u većini slučajeva nekoliko različitih tRNA vežu istu AK. Ima oblik slova L (djetaline).iRNA nose informaciju za sintezu različitih proteina, javljaju se u velikom broju u ćelijama. Sve RNA se u ćeliji sintetišu procesom koji se naziva transkripcija, tj prepisivanje određenog segmenta DNA. RNA je izgrađena od nukleotida povezanih fosfodiestarskom vezom. Broj nukleotida se kreće od 75 do nekoliko hiljada. Šećer u RNA je riboza. U molekuli RNA umjesto timina je uracil. Molekule RNA su jednolančane. RNA je primarni proizvod ekspresije gena i ima funkciju u sintezi proteina i drugim ćelijskim funkcijama. Može da se samoreplicira što je objašnjenje za uspješno preživljavanje RNA virusa kroz evoluciju. RNA može da katalizuje raskidanje i formiranje kovalentnih veza između nukleotida (rRNA).

46

Proces transkripcije se može podjeliti u tri dijela:1) Inicijacija,2) Elongacija ili izduživanje,3) Terminacija (završetak).Kod E.coli enzim RNA polimeraza ima strukturu α2ββ′.Eukarioti imaju tri RNA polimeraze I,II,III.

Inicijacija transkripcije počinje na dijelu DNA bogatom sa AT parovima koji se naziva promotor (najčešće ima sekvencu 5’-TATAAT-3’). Kod elongacije se prepisuje samo jedan lanac koji se naziva kodogen. Zaustavljanje transkripcije je određeno specifičnom sekvencom na DNA. Enzim DNA-zavisna-RNA-polimeraza katalizuje transkripciju, nastanak svih ćelijskih RNA. Za aktivnost RNA polimeraze neophodno je prisustvo kalupa. Kalup na osnovu koga se sintetiše RNA je molekul DNA (najbolje dvolančana molekula, a može i jednolančana). Transkripcija počinje na specifičnim mjestima kalupa koji se nazivaju promotorima. (RNA-polimeraza prepoznaje specifični redoslijed baznih parova). Svaki novosintetisani lanac RNA ima prepoznatljiv 5'-kraj: molekul uvijek počinje sa G ili A i nije potrebno prisustvo klice (početak) za razliku od molekule DNA. Lanci RNA se mogu sintetisati de novo. Sinteza RNA lanaca teče u smijeru 5'®3'. RNA polimeraza ne posjeduje nukleaznu aktivnost. Završetak transkripcije (terminacija) je takođe kao i inicijacija precizno kontrolisan. Kalup DNA sadrži signale koji dovode do zaustavljanja transkripcije. Prije mjesta terminacije se nalazi region bogat G i C, a poslije njega je region bogat sa A i T. Nascentni (novosintetisani) lanac RNA se završava sa nekoliko U ostataka. Kod nekih mjesta je za zaustavljanje RNA polimeraze potrebno prisustvo proteina (protein r). Nakon sintetisanja nascentne RNA da bi bile funkcionalne RNA molekule se cijepaju i hemijski modifikuju. Ribonukleaze su enzimi koji vrlo precizno isjecaju dijelove RNA.

47

Aktivacija AK, enzimi prepoznaju odg tRNA prema specifičnom tripletu nukleotida koji se nalazi na jednom od krakova molekula, a naziva se antikodon. Antikodoni su komplementarni kodonima za datu AK i imaju važnu ulogu pri vezivanju aminoacil tRNA za odg kodon na iRNA.Inicijacija obuhvata disocijaciju ribozoma na podjedinice. Zatim se na malu podjednicu smješta iRNA za kohju se naspram inicijacionog kodona vezuje aktivirana AK. Antikodon tRNA se vodoničnom vezom po pravilu o sparivanju baza vezuje za kodon na iRNA. Na nastali kompleks se vezuje velika podjedinica ribozoma i time dobija funkcionalni ribozom, u kome se odvijaju naredne faze biosinteze polipeptida.Elongacija , enzim RNK polimeraza ide duž DNK i sintetiše komplementarni RNK molekul. Dakle očitava se sekvenca kodona u molekulu iRNA i njihovo prevođenje u sekvencu AK datog polipeptidnog lanca, sve dok ribozom u svom kretanju ne dođe do jednog od završnih kodona (STOP kodona). Tokom elongacije, enzimi idu duž lanca i vrše popravke nastale tokom transkripcije koja je veoma brz proces. U fazi elongacije RNK polimeraza odvija jedan zavoj DNK pri čemu se lanci razdvajaju. Jedan od lanaca služi kao matrica prema kome RNK polimeraza ređa komplementarne nukleotide RNK u 5'-3' pravcu.Terminacija Ređanje nukleotida RNK vrši se sve dok RNK polimeraza ne stigne do niza nukleotida, odnosno specifične sekvence, koji se nazivaju terminacioni (stop) signal . Na tom mestu se transkripcija zaustavlja, a novonastali molekul RNK se oslobađa sa matrice ( do tada je bio za matricu vezan samo svojim 3' krajem) . To predstavlja poslednju fazu terminacije.

48

Regulacija transkripcije

Transkripcija se često naziva i ekspresijom gena.Jako je važna kontrola ekspresije iz nekoliko razloga 1) troši se mnogo energije pri ovom procesu2) regulacijom sinteze nekog enzima kontroliše se njegova koncentracija u ćeliji, a time i metabolizam.

Dva tipa regulacije :pozitivna (uglavnom eukarioti) negativna (uglavnom prokarioti)

Regulatorne sekvecije

Promotor je mjesto na koje se veže RNA-polimeraza.Operator mjesto na koje se veže represor, produkt gena regulatora.

GENETIČKA ŠIFRA

Pojam genetička šifra označava odnos između redoslijeda baza u DNA (ili njenom transkriptu, mRNA) i redoslijeda aminokiselina u proteinu. Translacija®jezik od četiri slova nukleinskih kiselina prevodi se u jezik sastavljen od dvadeset slova proteina. Redoslijed kodona u mRNA, koji čitaju molekule tRNA određuje redoslije AK u proteinu. Veoma složen proces koji uključuje ribozome, molekule tRNA, enzime za aktiviranje RNA, mRNA. Redoslijed od tri baze predstavlja genetički kod za sintezu jedne aminokiseline. Četiri baze mogu da daju šezdeset četiri različita kodona (tripleta). Šezdeset jedan triplet odgovara određenim AK, a tri predstavljaju šifru za završetak lanca. Samo za triptofan i metionin postoji po jedan triplet, a za ostale kiseline postoje dva ili više tripleta. UAA, UAG, UGA su tripleti koji označavaju završetak lanca. Ove kodone ne čitaju tRNA nego specifični proteini koji se nazivaju faktorima otpuštanja. Proces biosinteze proteina se odvija na ribozomima (specijalizovanim i kompleksnim ćelijskim strukturama). Ribozomi bakterije E.coli su nabolje proučeni. Sastoje se od velike (50S) i male (30S) subjedinice. Subjedinice su izgrađene od molekula RNA i proteina. Eukariotski ribozomi su nešto veći: velika subjedinica (60S) i mala subjedinica (40S). Proteini se sintetišu od N-prema C-kraju. Genetička informacija sa mRNA se prenosi u 5'®3'smjeru.

49

Nekoliko ribozoma može istovremeno prevoditi informaciju sa jedne mRNA čime se povećava efikasnost sinteze proteina. Grupa ribozoma vezana za mRNA se naziva poliribozom, polizom.

Mutacije-promjene genoma

Promjene se dešavaju na nivou molekula DNA. Mutanti su jedinke ili sojevi koji nose mutacijom izmjenjenu naslednu osobinu. Tačkaste mutacije –promjene pojedinačnih baza (promjena redoslijeda baza) Þ promjene u AK sekvenci a time i strukturi proteina. Biohemijski mutanti Þ promjene u metabolizmu. Jonizujuće zračenje, UV svijetlost i veliki broj hemikalija mogu dovesti do oštećenja DNA- mutageni agensi. Ćelije posjeduju mehanizme za popravku oštećenja nastalih unutar molekula DNA. Primjer je nastanak dimera timina pod dejstvom UV svijetlosti. Popravka oštećenja u nekoliko koraka:

specifična endonukleaza prepoznaje oštećenje i zareže molekul DNA u blizini, sa 5'-kraja.

segment sa dimerom se pomjeri i DNA-polimeraza popuni prazninu egzonukleza izreže segment sa sparenim timinima ligaza spoji prekid u lancu DNA.

Do mutacija može doći i na nivou hromozoma: Delecije (gubi se dio nasledne informacije) Translokacije (prebacivanje dijela gena u blizinu regulacionog dijela pa dolazi do

promjena u regulaciji)Pokretni geni (transpozicijski geni), mjenjanjem mjesta u genomu mogu blokirati funkciju drugih gena.

50

LIPIDI

... predstavljaju grupu biomolekula raznovrsne hemijske strukture. Njihova zajednička kkk je da su nerastvorni u vodi i polarnim organskim rastvaračima, a rastvorni u nepolarnim org rastvaračima, kao što su aceton, benzen, hloroform, eter, itd. Imaju višestruke uloge u živim organizmima. Pojedini učestvuju u izgradnji ćelijskih membrana, drugi predstavljaju rezervne oblike energije, neki imaju zaštitnu ulogu ili ispoljavaju hormonsko ili vitaminsko djelovanje.

Klasifikacija lipida

1) Prosti lipidi

a) Masti: estri masnih kiselina i glicerola. Ulja - tečne masti. b) Voskovi: estri masnih kiselina i visokomolekulskih monohidroksi alkohola

2) Složeni lipidi

a) Fosfolipidi- pored MK i glicerola sadrže i ostatak fosforne kiseline (uža podjela je na glicerofosfolipide i sfingofosfolipide) b) Glikolipidi-sadrže ugljenohidratne ostatke c) Drugi složeni lipidi: sulfolipidi, aminolipidi

3) Prekursori i derivati lipida: masne kiseline, glicerolsteroidi, drugi alkoholi i ketonska tijela.

Masti (neutralne masti)

Oni su estri trohidroksilnog alkohola glicerola i viših mk. Glicerol može da gradi monoestre (monoacilgliceroli, ranije monogliceridi), diestre (diacilgliceroli, ranije digliceridi) i triestre (triacilgliceroli, ranije trigliceridi). Vrste mk utiču na fizičke i hemijske osobine masti. Masti koje pretežno sadrže zasićene mk na sobnoj temp su čvrste. To je uglavnom slučaj sa neutralnim mastima životinjskog porijekla (svinjska mast). Ukoliko u sastavu neutralnih masti dominiraju nezasicene mk, one su tečne, pa se govori o uljima, koja su uglavnom biljnog porijekla, ali se sreću i u životinjskom svijetu (npr riblje ulje).

Triacilgliceroli

Triacilgliceroli su skladišta metaboličke energije. Najbrže se sintetišu i razgrađuju u jetri u odnosu na druga tkiva. Nepolarni su: skladište se u bezvodnom obliku. Mjesto skladištenja: citoplazma adipoznih ćelija. Triacilgliceroli (triacilgliceroli, masti ili neutralne masti) su esteri trohidroksilnog alkohola i monokarboksilnih masnih kiselina. Molekula masti i ulja se sastoji od tri molekula masnih kiselina, koje su vezane za jedan molekul trihidroksilnog alkohola glicerola. Masti koje sadrže nezasićene masne kiseline

51

(sa dvostrukim vezama između ugljenikovih atoma) zapravo su ulja, karakterističnija za biljke nego za životinje. Molekule masti kao izvor energije deponuju se u masnim (adipoznim) ćelijama, koje sadrže mnoge lipidne kapljice.

U sastav masti ulaze masne kiseline sa 4-26 ugljenikovih atoma i to samo masne kiseline sa parnim brojem C atoma. U sastavu većine masti dominiraju masne kiseline sa 16-18 atoma ugljenika u lancu (palmitinska, stearinska i oleinska). Kao trovalentni alkohol glicerol može graditi monoestere, diestere i triestere, koji se nazivaju monoacilgliceroli, diacilgliceroli odnosno triacilgliceroli. Triacilgliceroli koji u sva tri položaja sadrže istu vrstu masne kiseline nazivaju se jednostavnim triacilglicerolima. Triacilglicerol koji sadrži tri palmitinske kiseline naziva se tripalmitoilglicerol ili tripalmitin, onaj koji sadrži tri stearinske kiseline tristearilglicerol ili tristearin. Masti se u organizmu nalaze kao protoplazmatične masti (u određenoj količini) i kao rezervne masti (u neodređenoj količini). Većina triacilglicerola koji su prisutni u prirodi su mješoviti i sadrže dvije ili više različitih masnih kiselina. Ako su lanci između ugljičnih atoma u masnoj kiselini povezani jednostrukim vezama (C-C) te masna kiselina pripada zasićenim masnim kiselinama. Vodikovi atomi potpuno ispunjavaju sva slobodna mjesta. Ovaj tip masnih kiselina dominira u mastima koje su čvrste na sobnoj temperaturi (masti životinjskog porijekla). Na primjer, stearinska kiselina sa 18-ugljičnih atoma je zasićena masna kiselina. Nalazi se u čokoladi i mesu. Ako je jedna ili više veza između ugljikovih atoma povezana dvostrukim vezama (C=C) masna kiselina pripada nezasićenim masnim kiselinama. Masna kiselina s jednom dvostrukom vezom je mononezasićena masna kiselina, sa dvije ili više dvostrukih veza zove se polinezasićena masna kiselina. Mononezasićene masne kiseline imaju takav hemijski sastav koji im omogućuje vezivanje još dva atoma vodika u molekuli masne kiseline. Ako se u molekuli nalazi dosta nezasićenih kiselina to su onda ulja, koja su na sobnoj temperaturi tečna (maslinovo ulje, sojino, suncokretovo, ulje uljane repice). Međutim neke masti se često nazivaju uljima iako su u krutom stanju na sobnoj temperaturi, kakav je slučaj sa palminim uljem. Oleinska kiselina sa 18-ugljičnih atoma je mononezasićena masna kiselina. Zastupljena je u maslinovom ulju. Maslinovo ulje je tečno na sobnoj temperaturi, a hlađenjem se može stvrdnuti. Masne kiseline u sastavu triacilglicerola se prikazuju skraćenim brojčanim izrazima. Prvi predstavlja broj atoma ugljenika a drugi broj dvostrukih veza. Tako na primjer 12:0, 18:1 i 18:3 predstavljaju laurinsku, oleinsku i linolensku kiselinu.

Fosfolipidi

Fosfolipidi su glavne strukturne komponente ćelijskih membrana. Slično mastima, sastoje se od masnih kiselina i glicerola. Međutim, treća masna kiselina je zamijenjena fosfatnom grupom koja posjeduje negativna naelektrisanja, za koju je obično vezana još neka polarna grupa. Predstavnici fofolipida su: lecitin (fosfatidilholin), cefalin i drugi. Lecitini i cefalini površinski su aktivna biološka sredstva jer imaju hidrofilni polarni kraj i hidrofobnu komponentu. Sojino ulje sadrži oko 3,5% fosfatida , te ovo ulje služi kao izvor njihovog dobijanja. Lecitin se nalazi u jajima, soji, mlijeku, čokoladi, vafel proizvodima, majonezi kao i žvakaćoj gumi te brojnim drugim prehrambenim

52

proizvodima. Sva nerafinirana ulja sjemenki sadrže veći ili manji postotak lecitina. Djeluje kao izvrstan emulgator masti. Lecitin je strukturni dio membrane stanice i staničnih organela. Jedan je od tri glavna emulgatora u prirodi, uz sfingomijelin i cefalin. Neophodan je za detoksikacijsku ulogu jetre. Konstitucija fosfolipida važna je u biološkim sistemima. Fosfatna grupa kod fosfolipida čini hidrofilnu glavu molekule, za razliku od hidrofobnih repova masnih kiselina. Zahvaljujući ovakvoj strukturi, fosfolipidi su amfipatične molekule, koje spontano u vodi obrazuju dvoslojni film u kome su glave orijentisane prema spolja – prema vodi, a repovi prema unutra, što predstavlja osnovu strukture ćelijskih membrana.

Fosfolipidi su najobilniji u žumanjcima jaja, jetri, soji i kikirikiju. Ljudsko tijelo je u stanju sintetizirati fosfolipide. Sinteza fosfolipida se odvija u citozolu u okolini membrane ER. Dijele se na glicerofosfolipide i sfingofosfolipide.

Sfingolipidi

Sfingolipidi su vrsta fosfolipida bez glicerola, ali su po strukturi i djelovanju srodni fosfolipidima. To su složeni lipidi kod kojih je na primarnu OH- grupu na C1 sfingozina u dijelu molekule esterski vezan fosfoholin ili fosfoetanolamin. Od masnih kiselina u sfingomijelinima najčešće su prisutne palmitinska, stearinska, lignocerinska kiselina, kao zasićene masne kiseline i nervonska kiselina.

Voskovi

Voskovi su takođe jedan od oblika strukturnih lipida. Voskovi su estri viših masnih kiselina i viših alkohola sa 20 do 70 C atoma u molekulu. Oni formiraju zaštitni sloj na koži, krznu, perju, lišću i plodovima viših biljaka i na egzoskeletu mnogih insekata. Prirodni voskovi (pčelinji vosak, mast iz kitove glave, biljni voskovi) smjese su različitih tvari. Glavni sastojak je ester dugolančanih jednovalentnih alkohola s višim masnim kiselinama. Iz pčelinjeg voska izoliran je miricin, ester palmitinske kiseline s miricilnim alkoholom, C30H61OH. Iz glave kita je izoliran cetilpalmitat, CH3-(CH2)14-CO-O-C16H33. Uz te estere nalazimo u voskovima nerazgranate ugljikovodonike, estere sterola, slobodne masne kiseline i hidroksi masne kiseline. Kod biljaka su 80% svih

53

lipida voskovi koji stvaraju zaštitni sloj na površini biljke i štite je od isparavanja vode. Prirodni vosak (pčelinji, lanolin) pored estara sadrži i malu količinu slobodnih masnih kiselina, nekih alkohola i ugljovodinika, sa 20-35 C atoma u molekulu.

MK

Predstavljaju zajedničke strukturne elemente svih složenih lipida. Do sada je iz složenih lipida različitih organizama izolovano preko 100 različitih mk. Ljudsko tijelo ne raspolaže enzimom koji razlaže dvostruke veze masnih lanaca većih od 10 ugljikovih atoma. Masne kiseline sa više dvostrukih veza (linolna, linolenska i arahidonska) ubrajaju se u esencijalne sastojke hrane, jer se ne mogu sintetizovati u organizmu. Masne kiseline se već na sobnoj temperaturi mijenjaju putem oksidacije. Pri tome se molekule masnih kiselina razlažu na ugljikovodike, ketone, aldehide, te u manjoj mjeri na epokside i alkohole. Teški metali i u malim količinama ubrzavaju oksidaciju (čime pokazuju stupanj zagađenja). Masnoće i ulja se zbog toga često tretiraju sa antioksidansima.

Opšte o mastima:

Da bi se masti iz hrane iskoristile prvo se moraju razgraditi.

mjesto razgradnje:tanko crijevo

enzimi:lipaze iz pankreasa

Lipaze:

Triacil-glicerol-lipaza

Diacil-glicerol-lipaza

Monoacil-glicerol-lipaza

Lipolizom nastaju glicerol i masne kiseline. Nastali glicerol se fosforiliše i oksiduje do dihidroksi aceton fosfata. Glicerol lako prelazi u međuproizvode glikolize i glukoneogeneze.

Regulacija aktivnosti lipaze

Triacil-glicerol-lipaza je pod kontrolom hormona. Epinefrin (adrenalin) i glukagon stimulišu adenilat ciklazu i povećavaju koncentraciju cAMP-a _ djeluju lipolitički. cAMP aktivira protein kinazu koja fosforiluje tracil-glicerol lipazu i prevodi je u aktivan oblik. Insulin inhibira lipazu.

54

BIOLOŠKE MEMBRANE

Povezanost ćelije i okolne sredine ostvaruje se preko bioloških membrana. Funkcija membrana:

1.“Kompartimentizacija”

2. Selektivno-propusna

3.Transport rastvornih supstanci

4. Prenos signala

5. Interakcije između ćelija

6.Mjesto biohemijske aktivnosti

7.Sinteza energijom bogatog ATP-a

Izgrađene su od proteina i lipida. Proteini :prenos signala, supstanci, jona, elektrona. Lipidi glavna strukturna komponenta. Ugljenihidrati su sastavni dio plazma membrana, vezani su za glikolipide i glikoproteine. Ugljenihidrati su hidrofilni i uvijek su na površini PM. Membrane su asimetrične: unutrašnja i spoljašnja strana su hemijski različite. Udio proteina i lipida u membranama zavisi od vrste membrana.

Model tečnog mozaika (prema Singeru i Nikolsonu)

U lipidni dvosloj su uronjene proteinske molekule (integralni ) ili asosovani na lipidni dvosloj (periferni).

55

Membranski lipidi

Membranski lipidi su uglavnom fosfolipidi (fosfatidil holin i fosfatidil etanolamin). Fosfolipidi su amfipatični molekuli imaju polarni dio (“polarna glava”) i nepolarni deo (“rep”). Polarni dio je hidrofilan, a nepolarni je hidrofoban što vodi specifičnoj organizaciji lipida u vodenom rastvoru.

Kada se nađu u vodi lipidi okreću polarni dio ka vodi, a nepolarni dijelovi se organizuju stvarajući sebi nepolarnu (i energetski povoljniju) sredinu. Lipidi sa jednim kiselinskim lancem imaju tendenciju da formiraju micele, dok oni sa 2 “repa” najčešće formiraju dvosloj ili lipozom. Oblik zavisi od vrste i koncentracije lipida.

56

Micele

Osim od tipa lipida tip strukture koja se formira zavisi i od odnosa površine i broja polarnih glava, kao i od dužine lanca. Princip suprotnih sila – Dvije sile upravljaju strukturom i karakteristikama micela: odbojna sila među polarnim glavama, i privlačna sila među hidrofobnim lancima. Kada je koncentracija lipida u vodi mala, micele su energetski najpovoljniji oblik. Sa porastom koncentracije lipida micele su sve veće, polarne glave se gušće pakuju → odbojne sile su sve jače, pa lipidi formiraju drugačiju strukturu. Formira se lipidni dvosloj. Molekuli u lipidnom dvosloju ne miruju Þ formiraju jednu veoma dinamičnu sredinu. Lipidi rotiraju oko svoje ose. Postoji i lateralna difuzija lipida. Flip-flop kretanje, transferzalna kretanja (postoje i enzimi flipaze).

Fluidnost membrana

Sastav lipida, sadržaj holesterola i temperatura određuju fluidnost lipidnog dvosloja (membrana). Fluidnost –mogućnost fuzije membrana. Omogućava se prenos i izmjena ćelijskih komponenti. Ulazak supstanci preko receptora. Fluidnost membrane zavisi od sastava lipida, što je više nezasićenih masnih kiselina, to je fluidnost veća. Regulacija fluidnosti preko desaturaza.

Uticaj temperature na lipidni dvosloj

Ponašanje lipidnih molekula u dvosloju veoma zavisi od temperature. Na relativno nižim T, lipidni dvosloj ima karakter čvrste sredine.

57

Holesterol u membranama

U sastavu plazma membrana i lipoproteina. Od holesterola počinju biosinteze drugih steroida (žučne kiseline, steroidni hormoni). Holesterol se razgrađuje u jetri i 80% se tu prevodi u žučne kiseline. Holesterol:

- Mehanička uloga

- Utiče na permeabilnost membrane.

Položaj holesterola u lipidnom dvosloju

Holesterol utiče na fluidnost. Holesterol na niskim temperaturama spriječava gusto pakovanje i usporava pad fluidnosti, na višim temperaturama usporava lateralnu difuziju te smanjuje fluidnost.

58

Membranski proteini

integralni periferni (asocirani)

Integralni proteini su uglavnom nerastvorni u vodi. Struktura proteina Þ a-heliks i b-ravan. Mogu nekoliko puta proći kroz membranu (bakteriorodopsin). Periferni proteini su globularni proteini koji ne prolaze kroz membranu i sa njom najčešće interaguju preko elektrostatičkih interakcija i vodoničnih veza. Odvajaju se od membrane promjenom pH ili tretmanom pomoću rastvora soli. Integralni proteini su integrisani u lipidni dvosloj. Uklanjaju se pomoću deterdženata ili organskih rastvarača. Funkcije membranskih proteina: transport, enzimska aktivnost, prenos signala, međućelijske interakcije, vezivanje citoskeleta.

Biogeneza i dinamika membrana

Konstantna promjena sastava membrana. iogeneza membrana obuhvata biosintezu membranskih komponenti (lipida i proteina) i njihovo ugrađivanje i povezivanje kao i prenos komponenti membrana.Membrane nastaju od membrana.

Važnu ulogu ima fluidnost i sposobnost lipida da se samoorganizuju.

Iz ER nastaje Goldžijev kompleks, a iz njega nastaju lizozimi i segmenti plazma membrana. U životinjskim ćelijama membranski lipidi se sintetišu na ER-u. Prenos lipida od ER do PM omogućavaju proteinski molekuli i sekretorne vezikule. Membranski proteini se sintetišu na hrapavom ER (ER za koga su vezani ribozomi) i dodatno obrađuju

59

u Goldžijevom kompleksu. Integralni membranski proteini se prenose direktno sa membranama.

Transport kroz membrane

Da bi se shvatio transport rastvorenih supstanci kroz plazma membranu, osim njene građe neophodno je poznavati i difuziju i osmozu kao glavne oblike transporta kroz membranu. Plazma membrane su polupropusne (semipermeabilne).

Molekuli rastvorni u lipidima (hidrofobni molekuli) prolaze lako kroz ćelijske membrane, ali ne kroz proteinski sloj, i pri tome se kreću iz pravca veće prema manjoj koncentracije tj. u pravcu gradijenta koncentracije (difuzija).

Molekuli rastvorni u vodi (hidrofilne molekule) ne mogu prolaziti kroz sloj lipida, ali se vežu za integralne proteine i kroz te tzv. proteinske kanale prolaze kroz membranu, ali isto u pravcu gradijenta koncentracije (olakšana difuzija).

Prema veličini čestica koje se transportuju: makrotransport i mikrotransport.

Makrotransport obuhvata: endocitozu (ćelije uvlače čestice), egzocitozu (ćelije izbacuju čestice), fagocitozu (poseban oblik endocitoze kod kog ćelije, npr makrofage jedu i uništavaju viruse, mrtve ćelije), pinocitozu (oblik endocitoze kod kog se unose rastvorene materije uz pomoć vezikula).

Mikrotransport obuhvata: pasivni transport (difuzija: olakšana, prosta – osmoza) i aktivni transport (uvijek ide nasuprot gradijentu konc, traži utrošak energije).

Difuzija

Spontano miješanje dvije ili više supstanci kroz njihovu dodirnu površinu ili propusnu membranu pri čemu se supstance kreću iz prostora sa većom u prostor sa manjom koncentracijom do potpunog izjednačavanja koncentracija. Difuzija se najbrže odvija u gasovima, sporije u tečnostima. Difuzija ne zahtijeva utrošak energije.

Olakšana difuzija:

jonofore (proteinski nosači), povećavaju propustljivost membrane za odg jon, vežu jon, difunduju kroz membranu i otpuštaju ga s druge strane membrane.

porini (transmembranske pore) formiraju transmembranske kanale ili pore kroz koje odg jon difunduje.

Za prenos hidrofilnih supstanci: potrebni su proteinski nosači i riječ je o pasivnom transportu (olakšana difuzija).

60

Endocitoza:

Egzocizoza:

jonofore

porini

61

Osmoza

Osmoza je proces difuzije rastvarača kroz polupropusnu membranu iz rastvora niže u rastvor više koncentracije rastvorene supstance. Ako se dva rastvora različite koncentracije razdvoje membranom koja propušta samo molekule rastvarača (npr. vode), tada će molekule vode prelaziti iz rastvora niže koncentracije (gdje je koncentracija vode veća) u rastvor više koncentracije rastvorene supstance (gdje je koncentracija vode manja).

Aktivni transport

Na+/K+ transport je povezan sa hidrolizom ATP-a. U životinjskim ćelijama c(Na+) u unutrašnjosti je niska, a c(K+) je visoka, a u ekstracelularnom prostoru je obrnuto. Gradijent se održava tako što se Na+- joni izbacuju iz ćelije, a K+-joni se ubacuju u ćeliju. Na+/K+ -zavisna ATP-aza katalizuje ovaj prenos. Za hidrolizu jednog molekula ATP-a izbace se tri Na+-jona i ubace se dva K+-jona.

Prema koncentraciji rastvorene supstance rastvori se dijele na:

1) izotonični

2) hipotonični

3) hipertonični

Imaju smisla samo kada se rastvori porede.

Izotonični sadrži istu konc rastvora sa konc u ćeliji. Kada se ćelija nađe u izotoničnom rastvoru, voda difunduje u ćeliju i iz ćelije istom brzinom.

Hipertonični sadrži višu konc rastvora od kon u ćeliji . Kada se ćelija nađe u hipertoničnom rastvoru, voda difunduje iz ćelije i ćelija se smežura.

Hipotonični sadrži manju konc rastvora od konc u ćeliji. Kada se ćelija nađe u ovom rastvoru, voda difunduje u ćeliju i sama ćelija bubri i puca.

Hipertonični

62

UGLJENI HIDRATI ILI SAHARIDI (ŠEĆERI)

Ugljeni hidrati imaju značajnu strukturnu i metaboličku ulogu:

1. Količinski čine najveći dio organske materije na Zemlji2. Pretežno su biljnog porjekla3. Hrana životinjama i čovjeku4. Rezervne supstance5. Sastavni dio nukleinskih kiselina6. Mehanička zaštita 7. Sastavni dio glikolipida i glikoproteina

Sintetizuju se iz CO2 i H2O, procesom koji se odvija u zelenim biljkama i nižim fotosintetskim organizmima, dok ih životinje unose u organizam hranom.

Podjela:

1. Monosaharidi _ ne mogu se hidrolizovati u prostije ugljenehidrate2. Disaharidi _ izgrađeni od dvije monosaharidne jedinice (maltoza, saharoza)3. Oligosaharidi _ izgrađeni od tri do deset monosaharidnih jedinica4. Polisaharidi _ izgrađeni od više od deset monosaharidnih jedinica (skrob,

dekstran)

H2

OH2

OH2

O

H2

O

hipotoničan izotoničan hipertoničan

lizirana ćelija

normalna ćelija

smanjena ćelija

63

Monosaharidi

Prosti šećeri. Opšta formula Cn(H2O)n. Definicija: Polihidroksi aldehidi ili polihidroksi ketoni. Na osnovu broja C-atoma klasifikuju se na trioze, tetroze, pentoze, heksoze, heptoze. U zavisnosti da li imaju aldehidnu ili keto grupu monosaharidi se dijele na aldoze i ketoze. Najrasprostranjeniji monosaharid u prirodi je D glukoza. Naziva se još i dekstroza ili grožđani šećer. Kao slobodna nalzi se u voću i krvi kičmenjaka, a kao vezana u oligo i polisaharidima. Najvažniji je izvor energije, prekursor je za sintezu svih drugih u.h. u organizmu.

Aldoze

Imaju aldehidnu grupu. Ugljenikov lanac se produžava za po jedan C-atom (aldolnom adiciom) pri čemu nastaje uvijek po jedna nova OH grupa. Numeracija C-atoma počinje od C-atoma aldehidne grupe. Predposlednji C-atom određuje da li su D- ili L-. Sa dodatkom svakog C-atoma broj mogućih aldolaza se povećava za 2. Predstavnik gliceraldehid. On se u prirodi javlja u obliku 2 enantiomera (to su jedinjenja koja imaju iste fizičko hemijske kkk, ali se razlikuju u smijeru rotacije ravni polarizovane svjetlosti, što je posljedica različitog rasporeda funkcionalnih grupa), a to su D i L gliceraldehid. Ovi enantiomeri služe za određivanje tkz apsolutne konfiguracije kod jedinjenja koja sadrže hiralni centar. Hiralnost je osobina da se 2 molekula odnose kao predmet i njegov lik u ogledalu i ne mogu se poklopiti jedan sa drugim. Monosaharidi imaju tu osobinu. Bitni predstavnici aldoza: d eritroza (aldotetroza koja nastaje u procesu fotosinteze prekursor je za biosintezu aromatičnih ak), d riboza (aldopentoza ulazi u sastav RNA), d galaktoza (aldoheksoza koja u prirodi nije slobodna, već u disaharidu laktozi, razlikuje se od d glukoze samo po konfiguraciji na 4 C atomu). Monosaharidi koji se u svojoj strukturi razlikuju po konfig na jednom C atomu su epimerni šećeri.

64

Ketoze

Imaju keto grupu. Predstavnik dihidroksiaceton, javlja se kao intermedijer u metabolizmu u.h. Biološki najznačajniji predstavnici: d ribuloza, d ksiluloza i d fruktoza. D fruktoza slobodna u voću, ulazi i u sastav disaharida saharoze.

Nastajanje poluacetala

Nukleofilnom adicijom alkoholne grupe na aldehid ili keton nastaju poluacetali ili poluketali.

Dakle poluacetali su jedinjenja koja nastaju reakcijom aldehida sa jednim molekulom alkohola, a takođe i ketoni u reakciji sa alkoholm daje poluketale. Međutim ako se u nekom organskom molekulu nalazi i aldehidna ili keto i OH grupa na pogodnoj udaljenosti i ako se molekul može saviti tako da ove dvije funkcionalne grupe dođu u neposrednu blizinu, onda može doći do intramolekulske reakcije, pri čemu nastaju ciklični poluacetali ili poluketali. To se dešava sa sa aldopentozama i aldoheksozama koje grade petočlane (furan) i šestočlane (piran) ciklične poluacetale.

65

PIRAN TETRAHIDROPIRAN

Poluacetalni oblici monosaharida koji se razlikuju samo po konfiguraciji na C atomu koji nosi poluacetalnu OH grupu, nazivaju se anomerni šećeri. Ako je poluacetalna OH grupa orijentisana ispod ravni prstena naziva se α anomer, a iznad ravni prstena β anomer. Glukoza gradi i piranozne i furanozne prstene.

66

Ciklične strukture poluacetala su prikazane Hejvertovim perspektivnim formulama. Najčešće se prikazuju pojednostavljeno u kome se označava samo orjentacija OH grupa. Piranoze se mogu javiti u 2 oblika: stolica i lađe. Svi monosaharidi su prikazani tkz Fišerovim projekcionim formulama. One predstavljaju projekciju tetraedarskog rasporeda funkcionalnih grupa oko C atoma monosaharidnog skeleta. Mogu se prikazati i pojednostavljeno, vertikalnom linijom označava se C skelet, a horizontalnim crticama orjentacija OH grupa na pojedinom C atomu.

67

Fizičke i hemijske osobine monosaharida

Monosaharidi su čvrste, bezbojne kristalne supstance, slatkog ukusa. Lako se rastvaraju u vodi, a nerastvorni u nepolarnim rastvaračima. Svi osim dihidroksiacetona, optički su aktivna jedinjenja i svaki od njih ima kkk vrijednost specifičnog ugla rotacije. Osobine određuju uglavnom OH grupe. Polihidroksili rastvorni u vodi. Nerastvorni u lipofilnim rastvaračima i mastima. U baznoj sredini izražena enolizacija_ glukoza može preći u fruktozu i manozu. U kiseloj sredini odvaja se molekul vode_ furfurali. Imaju reduktivna svojstva zbog a-ketol grupe (karbonilna uz hidroksilnu grupu). Tolensova (Ag+ u Agº) i Felingova (redukcija Cu2+ u Cu+) reakcija.

68

TOLENSOVA REAKCIJA

Glikozidna veza

Glikozidi nastaju reakcijom OH grupe na anomernom C-atomu sa OH grupom drugog prostog šećera ili nešećerne komponente (alkohol). O-glikozidna veza nastaje ako reaguju poluacetal i OH grupa Þ nastaje acetal. Ako je poluacetal glukoza nastaju glikozidi, a ako je galaktoza galaktozidi. Ako je druga grupa u reakciji nastajanja acetala amin, nastaje N-glikozidna veza. N-glikozidna veza u molekulu ATP-a :

adenin je sa šećerom povezan N-glikozidnom vezom

Riboza – OH + adenin-NH ® adenin-N-riboza + H2O

69

Disaharidi

Jedinjenja nastala povezivanjem dvije molekule monosaharida glikozidnom vezom su disaharidi. Prema hemijskoj građi mogu biti:

Homoglikani –jedan monosaharid kao osnovna jedinica

Heteroglikani –više različitih osnovnih jedinica

Konjugovani spojevi (glikoproteini, glikolipidi).

Osobine disaharida zavise od vrste monosaharida i tipa veze između njih (redukujući i neredukujući disaharidi). Kristalne supstance, rastvorljive u vodi. Disaharidi su oligosaharidi građeni od dvije jedinice monosaharida. Za organizam čovjeka najvažniji su disaharidi: maltoza, laktoza, celobioza i saharoza. Prema načinu vezanja monosaharida u molekuli disaharida dijele se na disaharide maltoznog i trehaloznog tipa. U maltoznom tipu reaguje poluacetalna grupa jednog monosaharida sa nepoluacetalnom grupom drugog monosaharida. Pri tome jedna poluacetalna OH-grupa ostaje slobodna, pa ovakvi disaharidi imaju reducirajuće djelovanje, tj. daju pozitivnu reakciju na Fehlingov reagens i druge kvalitativne testove. Šećeri koji nemaju slobodnu poluacetalnu OH-grupu su nereducirajući. U reducirajuće šećere spadaju: maltoza, laktoza i celobioza, a u nereducirajuće izomaltoza, trehaloza i saharoza. Trehalozni tip (šećeri su povezani sa obe poluacetalne grupe, nemaju redukciona svojstva). Maltozni tip (zadržavaju redukciona svojstva).

70

Trehalozni tip šećera

Saharoza

Saharoza (od lat. saccharum - šećer) je disaharid molekulske formule C12H22O11. Sistematsko ime joj je β-D-fruktofuranozil α-D-glukopiranozid.[5] Najpoznatija je kao namirnica u ljudskoj ishrani. Čista saharoza se najčešće dobija kao fini, kristalni prašak bez boje i mirisa, ugodnog slatkog ukusa. Krupni kristali se mogu dobiti kristalizacijom na drvenom štapiću, koncu i sl. što se prodaje kao poslastica poznata pod imenom 'kamena bombona'. Kao i u drugim ugljenim hidratima, kod saharoze je odnos vodonika prema kiseoniku 2:1. Saharoza se sastoji od dva monosaharida α-glukoze i fruktoze spojenih glikozidnom vezom između ugljenika 1 glukozne i ugljenika 2 fruktozne jedinice. Saharoza se topi i raspada na 186°C obrazujući karamel a sagorevanjem stvara ugljendioksid i vodu. Saharoza nema reduktivni kraj. Hidrolizu na glukozu i fruktozu katalizuje saharaza.

Maltoza

Maltoza, je disaharid izgrađen od dve jedinice glukoze spojene α(1→4) vezom. Drugi je član važne biohemijske serije glukoznih lanaca. Dodatak još jedne jedinice glukoze daje maltotriozu, dok je lanac četiri glukoze maltotetroza, itd. Dalje dodavanje daje dekstrine, koji se takože nazivaju maltodekstrinima, i konačno skrob. Maltoza se hidrolizom može razložiti na dva molekula glukoze. U živim organizmima, enzim maltaza ovo postiže vrlo brzo. U laboratoriji zagrevanje sa jakom kiselinom nekoliko minuta postiže isti efekat. Nastaje pri enzimskoj hidrolizi skroba i u većim količinama se može naći u proklijalom ječmu. Sastavljena je od 2 glukozne jedinice koje su međusobno povezane glikozidnom vezom, nastale reakcijom alfa anomerne OH grupe (na C1 atomu) prvog molekula D glukoze sa OH grupom na C4 atomu drugog molekula. Na ovaj način ostvarena veza je α(1→4) glikozidna veza.

71

Laktoza

Laktoza je disaharid koji se sastoji od molekula β-D-galaktoze i β-D-glukoze koji su vezani preko β1-4 glikozidne veze. Laktoza sačinjava oko 2-8 % čvrste supstance u mlijeku. Ime dolazi od latinske reči za mleko, plus sufiks "-oza“ koji označava šećere. Nastaje tako što beta anomerna OH grupa D galaktoze reaguje sa OH grupom na C4 atomu D glukoze. Maltoza i laktoza su redukujući šećeri jer je poluacetalna OH grupa druge monosaharidne jedinice slobodna i može da redukuje jone metala.

Polisaharidi

Polisharidi su makromolekuli nastali povezivanjem velikog broja monosaharida u dugačke lance (mogu da sadrže na stotine i hiljade monosaharida). Prema biološkoj funkciji se dele na:

rezervne i strukturne polisaharide.

Rezervni polisaharidi predstavljaju molekule u kojima se čuva (skladišti) hemijska energija. Najrasprostranjeniji rezervni polisaharidi su:

skrob , kod biljaka i glikogen , kod životinja.

Skrob i glikogen se sastoje od većeg broja molekula glukoze.

Strukturni polisaharidi učestvuju u izgradnji ćelijskih delova. Među njima su najrasprostranjeniji:

celuloza , koja je glavni sastojak ćelijskog zida biljaka, *hitin, koji zgrađuje skelet zglavkara) i

agar , koga sadrže alge).

72

Skrob

… je široko rasprostranjen biljni polisaharidi, a služi kao energetska rezerva biljkama i kao hrana životinjama. Nalazi se u voću, semenkama, korenju, krtolama i lišću biljaka.[3]

To je jedan od osnovnih sastojaka hrane i proizvode ga isključivo biljke, kojima skrob služi kao rezervna energija. Po ulozi i strukturi je sličan glikogenu koji istu funkciju obavlja kod životinja. Skrob predstavlja smesu dva polisaharida, amiloze i amilopektina. To su polimeri monosaharida D-glukoze, a razlikuju se u načinu vezivanja glukoznih jedinica. Amiloza ima jednostavniju građu. Čini je nekoliko hiljada monomera povezanih α(1→4) glikozidnom vezom u duge lance. Amilopektin je razgranat i sastoji se od glavnog i bočnih lanaca. Glavni lanac čine molekuli glukoze povezani α(1→4) glikozidnom vezom, dok se na svakih 20-30 ostataka javlja bočni lanac (iste strukture) spojen α(1→6) glikozidnom vezom. Pod delovanjem kiselina i enzima skrob se može potpuno razgaditi u glukozu, a međuprodukti ove reakcije su dekstrini i maltoza. Prirodni skrob se sastoji iz 2 komponente amiloze (nerazgranati oblik) i amilopektina (razgranati oblik). Asimilacioni (primarni) skrob nastaje u fotosintetskom tkivu biljaka (hloroplastima). Primarni proizvod fotosinteze je glukoza, ali ona se kondenzuje u nerastvorljivi skrob. Tokom noći on se postepeno razgrađuje i transportuje u druga tkiva, a tamo se u amiloplastima izgrađuju zrnca rezervnog skroba. Taj skrob je glavni izvor energije u ishrani ljudi i domaćih životinja. Krtola krompira sadrži oko 30%, a pšenična zrna i do 70 % skroba. Amiloza- ostatci glukoze povezani a (1®4) -glikozidnom vezom. Osnovna jedinica je maltoza, a između maltoza je a-glikozidna 1® 4 veza. Amilopektin izgrađen od a(1)4® -glikozidnih veza ali je razgranat molekul. Na glavnom lancu su bočni lanci povezani a (1®6) vezama.

Razgradnja skroba

Amilozu i amilopektin razgrađuje a-amilaza, enzim koji izlučuju pljuvačne žlijezde i pankreas. a-amilaza razgrađuje unutrašnje a (1®4) glikozidne veze, dajući maltozu, maltotriozu i a-dekstrin (maltoza se sastoji od dva glukozidna ostatka a (1®4), maltotrioza od tri takva ostatka, a a-dekstrin od nekoliko glukoznih jedinica koje osim a (1®4) povezuje i jedna a (1®6) veza). Maltoza i maltotrioza se dalje hidrolizuju pomoću maltaze, a a-dekstrin pomoću a-dekstrinaze. b-amilaza hidrolizuje skrob u maltozu sa slobodnih neredukujućih krajeva.

Celuloza

Biljni polisaharid (u sastavu ćelijskog zida). Molekule glukoze su povezane b-glikozidnom vezom između C-1 i C-4. Prirodna celuloza sadrži 8 000-12 000 jedinica glukoze. Celulozu razgrađuje enzim b-glikozidaza (celulaza). Čovjek nema ovaj enzim. Sadržaj celuloze: suvo lišće 10 %, drvo oko 50 %, pamuk 98 %. Upotreba celuloze zavisi od oblika i dužine vlakana. Lan, juta i konoplja 20 –350 cm, pamuk 1,5 –5,5 cm, drvo 0,2 –5 mm. Duža vlakna se koriste za izradu tekstila, a kraća za izdradu hartije. Celuloza je homopolisaharid, sastavljena iz velikog broja (od 300 do 15 000) glukoznih ostataka međusobno povezanih β (1→4) glikozidnim vezama. Molekuli su linearni. Jedina razlika u strukturi amiloze i celuloze je u orijentaciji glikozidnih mostova. Ova razlika ima

73

biološke posljedice. Celuloza je nerastvorna u vodi i organskim rastvaračima, slabo je reaktivna, ima veliku mehaničku otpornost. Za čovjekov organizam nije hranljiva jer ljudi ne posjeduju enzime koji bi je mogli razložiti do glukoze. Glavni je sastojak ćelijskih zidova biljaka, u kojima je su gusto spakovani molekuli celuloze, koji se međusobno povezuju vodoničnim vezama, opkoljavaju ćeliju u pravilnom rasporedu.

Hemiceluloza

Zajedno sa celulozom ulazi u sastav ćelijskog zida. Izgrađena pretežno od ksiloze, arabinoze i galaktoze. Helikoidna struktura koju održavaju vodonične veze između OH-grupa.

Glikogen

Rezervni polisaharid životinja i čovjeka (skeletni mišići i jetra). Veliki razgranat polimer glukoze. Glikozidne jedinice povezane a-(1®4)-glikozidnim vezama, dok su na mjestima grananja a-(1®6)-glikozidne veze. Nalazi se u citoplazmi u obliku zrnaca (10-40 nm).

Zrnaca glikogena sadrže i enzime koji katalizuju njegovu sintezu i razgradnju. Glukoze povezane a-(1®4)-glikozidnim vezama, dok su na mjestima grananja a-(1®6)-glikozidne veze.

Pektin

Heteropolisaharid

Glavna komponenta: galakturonska kiselina. Piranozni prstenovi D-galakturonskih kiselina su u pektinskom molekulu povezani α(1→4) glikozidnim vezama. Ostali šećeri: α-L-ramnopiranoza, D-galaktopiranoza, L-arabinofuranoza, D-ksilopiranoza, D-glukopiranoza. Nalazi se u svim biljnim tkivima. Posebno su bogati plodovi voća: jabuka, limun, kruška, šljiva, dunja.. Industrijski se dobija iz plodova jabuke i ostataka plodova limun. Koristi se kao sredstvo za želiranje. Glavna je komponenta ćelijskog zida, pored celuloze, hemiceluloze (ksilani, arabani, lignin) i proteina.

Vitamini i hormoni

Vitamini

Vitamini su organska jedinjenja koja organizam čoveka nije u stanju da sintetiše (izuzev holekalciferola, vitamina K i delimišno riboflavina), te se moraju unositi hranom. Vitamini nastaju u biljkama uz pomoć sunca i/ili u bakterijama; u nekim slučajevima mogu nastati u ljudskom ili životinjskom organizmu.Vitamine delimo po rastvorljivosti u: vodi (hidrosolubilni) i ulju (liposolubilni: A, D, E, K). Rastvorljivi u vodi se posle nekoliko sati izlučuju iz organizma, a rastvorljivi u mastima se akumuliraju u jetri; u slučaju dijete bez masti-ulja, umesto uljanih kapsula koje se cele progutaju, uzima se suvi oblik koji se sažvaće. Postoji oko 40-tak različitih tvari poznatih kao esencijalni nutrijenti

74

u čovjekovoj prehrani. Od tih 40-tak, 13 ih je prepoznato kao vitamini, 15 ih je prepoznato kao esencijalni minerali, minerali u tragovima ili elektroliti. Ostalih 12 su amonokiseline. Ime, vitamin, dao je poljski biohemičar Kazimierc Funk 1912. godine. izolirajući kristalnu tvar iz riže. Vita latinski znači život, -amin znači Amin; mislilo se da vitamini pripadaju aminima, što naravno nije točno, ali je ime ostalo do dan danas. Podjela vitamina je izvšena na osnovu rastvorljivosti:

1) vitamini rastvorini u ulju (mastima)

2) vitamini rastvorni u vodi

Vitamini rastvorni u ulju:

1) Vitamin A (retinol)

2) Vitamin D (kalciol)

3) Vitamin E (tokoferol)

4) Vitamin K (filokinon)

5) Vitamin F

Vitamin A (retinol)

Po građi pripada izoprenidnim lipidima. U organizmu vitamin A može nastati iz karotena. Vitamin je rasta i zaštite epitela. Vitamin A esencijalni je nutrijent u ljudskom tijelu. Topljiv je u mastima odnosno uljima. Njegovo je djelovanje uglavnom posljedica vezanja za specifične nuklearne receptore te tako kasnije utječe na sintezu specifičnih proteina. Važan je za kontrolu rasta i razvoja epitelnog tkiva tj. za diferencijaciju te sudjeluje u stvaranju vidnog pigmenta. Pa tako njegovi nedostaci nose razne poremećaje, od noćnog sljepila do određenih dermatoloških problema. Uz to značajan učinak vitamina A proizilazi iz njegovih antioksidacijskih svojstava (tako da se veže za slobodne radikale u tijelu). Ali važno je znati da najveće probleme u tijelu, vitamin A može izazvati prevelikim unošenjem u organizam. Tada dolazi do brojnih toksičnih učinaka praćenim poremećajima u probavi, na koži, kostima i zglobovima. Vitamin A se u organizmu pojavljuje u različitim oblicima, pa možemo govoriti o skupini vitamina A. Svi zajedno pripadaju retinoidima tj. derivatima retinoične kiseline (esteri, eteri ili alkoholni derivati). Vitamin A u užem smislu nazva se retinol ili vitamin A1. To je cikloheksanski prsten na kojem su tri –CH3 skupine i pobočni lanac s četiri dvostruke veze te primarnom –OH skupinom. Retinol je narančasto viskozno ulje. Ovaj se vitamin otapa u alkoholu i biljnim uljima dok u vodi i glicerolu ne. Toplina mu može smanjiti aktivnost, a relativno se brzo razgrađuje djelovanjem dnevne i ultraljubičaste svjetlosti. Tako danas postoje mnoge tvari koje to onemogućuju. Glavni izvori vitamina A su inače jetra, mlijeko i mliječni proizvodi, maslac, žutanjak i riba. Stari Egipćani kuhali su jetru kao lijek za noćno sljepilo, 1915.g. otkrivena je funkcija vitamina A. U tkivu životinja i morskih riba je

75

prisutan u esterificiranom stanju. Dok u biljkama se nalazi kao provitamin A ili β-karoten. Iz mrkve je bio izoliran već u 19. stoljeću i nazvan je karotenom. Prepručene dnevne količine (RDA) ovog vitamina danas za odrasle muškarce i žene iznose 800 – 1000 μg, dok se kod terapijske primjene ona znatno razlikuje. Vitamin A ima vrlo važnu ulogu u organizmu. Sudjeluje prije svega u sintezi vidnog pigmenta - rodopsina pa tako djeluje protiv raznih očnih bolesti. Ima izraziti učinak na epitelno tkivo pa služi i u liječenju raznih kožnih bolesti te održava zdrave vanjske omotače tkiva i organa. Nedostaci najčešće nastaju zbog neadekvatne prehrane ili pri kroničnim bolestima kod kojih je smanjena apsorpcija masti. Jedna od hipovitaminoza je i noćno sljepilo (niktalopatija). Tako pomanjkanje ovog vitamina smanjuje sposobnost adaptacije na tamu. Ta je adaptacija kemijski proces u kojem se stvara rodopsin, a bez vitamina A to je nemoguće. Znakovi nedostatka mogu se opaziti i na koži. Ukoliko se retinoidi unose u organizam u količinama izrazito većim od propisanih, dolazi do hipervitaminoze A. Kod djece je to često posljedica samoinicijativne terapije roditelja. A u odraslih nastaje nakon dugotrajnog liječenja kožnih bolesti (npr. akne, psorijaza) ili dugotrajnom automedikacijom. Simptomi kao što su crvenilo kože, svrbež, glavobolja i mučnina prvi su znakovi koji ukazuju da doze treba smanjiti. Unosom još većih količina dolazi do akutnog trovanja čiji su simptomi ljuštenje kože zbog suhoće, umor, nesanica, edemi u velikim dozama vitamin A oštećuje jetru, živce, doprinosi boli u kostima i zglobovima, a u nekim slučajevima utječe i na fetus. Pri tome se višak β-karotena akumulira u epidermi (kako se više ne može prevesti u vitamin A) te ona dobiva žućkastu boju. Upravo zbog toga što je A vitamin jedan od onih koji može biti i toksičan, najbolje bi bilo kada biste ga uzimali pod nadzorom liječnika.

Vitamin D (kalciferol)

Organizam ga može normalno sintetisati. Za jedan od koraka u biosintezi potreba je UV svijetlost pa nedostatak UV svijetlosti može da dovede do nedostatka vitamina D. Nedostatak vitamina D dovodi do rahitisa. Oboljenje se javlja kod djece, usporena je resorpcija kalcijuma i javljaju se smetnje u mineralizaciji kosti koja raste. Uzrok nastanka rahitisa je nedostatka vitamina D koji je prekursor za sintezu hormona kalcitriola (hormon koji održava konstantan nivo jona kalcijuma u organizmu). Neophodan je za pravilan rast kostiju i zuba. Stvara se u koži tokom sunčanja, a što se tiče hrane izvori su:

76

riblje ulje, morska riba, buter, jaja (žumance). Dva oblika u kojima se javlja vitamin D su vitamin D2 (ergokalciferol) i D3 (kolekalciferol).

Vitamin E (tokoferol)

… predstavlja smjesu strukturno srodnih jedinjenja koji se nazivaju tokoferoli. Među njima je najrasprostranjeniji alfa tokoferol. Vitamin E sprječava djelovanje slobodnih radikala i peroksida koji nastaju u metabolizmu, dakle djeluje kao antioksidans. Nalazi se u biljnim uljima anaročoto je njime bogata pšenica. Avitaminoza se manifestuje na više načina. Jedan od vidova je anemija.

Vitamin K (filokinon)

Nalazi se u zelenim biljkama a sintetišu ga i bakterije crijevne flore, pa se njegova avitaminoza rijetko javlja. Neophodan je kofaktor sinteze trombina, enzima koji omogućava transformaciju krvnog proteina fibrinogena u fibrin, koji je neophodan za stvaranje krvnog ugruška. Stoga nedostatak vitamina K dovodi do poremećaja u zgrušavanju krvi i pojavljuje se sklonost krvarenju.

Vitamini rastvorni u vodi:

1) Vitamin B1 (tiamin)

2) Vitamin B2-kompleks (riboflavin, nikotinska kiselina, folna kiselina, pantotenska kiselina)

3) Vitamin B6 (piridoksal)

4) Vitamin B12 (kobaltamin)

77

5) Vitamin H (biotin)

6) Vitamin C (askorbinska kiselina)

Vitamin B1 (tiamin)

Tiamin pirofosfat je derivat vitamina (B1). On je koenzim piruvat dehidrogenaze (katalizuje oksidativnu fosforilaciju piruvata do acetil CoA). U ishrani izvor tiamina su kvasac, mleko, žitarice, voće i povrće. Nedostatak tiamina prouzrokuje bolest beri beri (nervne smetnje i bolesti srca).

Vitamin B2 (kompleks)

Riboflavin je deo vitamin B kompleksa. Prvi put je strukturno predstavljen i identifikovan 1933. godine. Riboflavin je strukturni deo koenzima FAD. Neophodan je pri NADH-dehidrogenazi u respiratornom lancu i učestvuje u prenosu vodonikovog atoma u oksidativnoj fosforilaciji. Stvaranje energije u vidu molekula ATP-a je nemoguće bez ovog vitamina. Zeleno povrće, naročito brokolj i spanać, su bogati vitaminom B2. Nedovoljnim unosom vitamina može doći do razvoja kožnih bolesti.

Nikotinska kiselina i amid te kiseline- nikotinamid. Topljivi su u vodi. Nikotinska se kiselina najčešće uporebljava u profilaksi i u liječenju pelagre. Vitamin B3 čine derivati piridina. Nikotinska kiselina je bijeli kristalični prašak koji se topi u vrućoj vodi i glicerolu, a slabo topi u etru i kloroformu. Nikotinamid je također bijeli kristalični prašak, ali se lako topi u vodi i glicerolu, a teško u eteru i kloroformu. Glavni izvor ovog vitamina čine namirnice kao npr. meso, jetra, jaja, mlijeko, riba, krumpir, zeleno povrće te kvasac. Nikotinamid je sastavni dio NAD i NADP važnih koenzima za prenos vodonika. Nikotinska kiselina i nikotinamid funkcioniraju u tijelu nakon prevođenja u nikotinamid–adenin-dinukleotid (NAD) ili nikotinamid–adenin–dinukleotid-fosfat (NADP).[9] NAD i NADP su koenzimi brojnih enzima uključenih u stanično disanje, stvaranje ATP-a itd. Služe kao akceptori vodika u reakcijama dehidrogenacije. Ovaj vitamin pomaže u održavanju probavnog sustava i ublažava želučano-crijevne poremećaje te daje koži zdraviji izgled. Nedostatak nikotinske kiseline dovodi do bolesti poznate pod imenom pelagra. Tada dolazi do promjena na koži koja je izloženija svjetlu (ljuštenje, svrbež), na mukoznoj sluznici, u probavnom traktu (dijareja) te u središnjem živčanom sustavu (demencija). Pelagra se često naziva 3D bolešću jer je obilježavaju dermatitis, dijareja i demencija. Javlja se često u osoba čija je prehrana siromašna proteinima, a to je najčešće u kroničnih alkoholičara. Ipak veće količine nikotinske, kiseline za razliku od nikotinamida, mogu biti toksične.

Folna kiselina ili vitamin B9, je jedan od vitamina B kompleksa.[4] Drugo ime ove kiseline je pteroilglutaminska kiselina. Folna kiselina se nalazi kao poliglutamat. Nakon unosa u organizam, apsorbuje se preko enzima u sluznici duodenuma. Nakon apsorpcije se redukuje do tetrahidrofolne kiseline, FH4 koja je koenzim i služi kao prenosilac grupa sa jednim atomom ugljenika, pri metaboličkim procesima. Folna kiselina je važna za sintezu DNK, pa i za funkcionisanje svake ćelije u organizmu. Ima značajnu ulogu u

78

ertitropoezi (stvaranju crvenih krvnih zrnaca). Tako manjak ove kiseline u organizmu dovodi do anemije. Ima bitnu ulogu u konverziji aminokiselina, pre svega snižava nivo homocisteina u krvi. Povišen nivo homocisteina u krvi može dovesti do začepljenja krvnog suda. Ima značajnu ulogu u razvoju ploda, jer je bitna za normalan razvoj nervne cevi kod novorođenčeta. Nalazi se u listovima zelenog povrća - spanaća, blitve. Prvi put je izolovana iz listova ovog povrća, po čemu je i dobila ime folium-list. Pored toga se nalazi i u orasima, kvascu, svinjskoj, goveđoj, jagnjećoj i pilećoj jetri.

Pantotenska kiselina ili Vitamin B5 je jedan od vitamina takozvanog B kompleksa. Veoma je rasprostranjen u prirodi i ima ga u biljnom i životinjskom svetu. Prvi put je izolovan 1933. godine. Predstavlja jedinjenje koje ima peptidnu strukturu. Optički je aktivan, a dejstvo ima samo prirodna D-pantotenska kiselina. U lečenju se koristi u obliku kalcijumove soli. Značajan je faktor u ishrani čoveka i normalna ishrana omogućava unošenje potrebne količine ovog vitamina. Koristi se u lečenju zapaljenskih procesa gastrointestinalnog trakta, opekotina i rana koje teško zarastaju. Sastavni je deo koenzima A.

Vitamin B6 (piridoksal)

Pod terminom vitamin B6 podrazumevaju se tri hemijski slična jedinjenja, koja se javljaju u prirodi. To su: piridoksin, piridoksal i piridoksamin. Piridoksin, piridoksal i piridoksamin derivati su piridina, a razlikuju se po skupini u položaju C-4. Piridoksin je bijeli kristaličan prašak koji se lako topi u vodi, a teže u akoholu, kloroformu i eteru. Slabo se razgrađuje, ali je osjetljiv na sunčevu svjetlost. Sva tri sastojka se nalaze u prirodi. Piridoksina ima u biljnom i životinjskom tkivu, osobito u jetri i bubrezima, zatim u kvascu, ribi, soji, jajima te voću i povrću. U jetri sva tri oblika prelaze u piridoksal fosfat i piridoksamin fosfat. Piridoksal fosfat je inače vrlo važan koenzim mnogih enzima u metabolizmu aminokiselina te pri dekarboksilaciji. Nedostatak vitamina B6 je vrlo rijedak. Javlja se kod primjene nekih lijekova ili vezan za nedostatak nekih drugih vitamina B-kompleksa. Simptomi nedostatka se očituju na koži i u središnjem živčanom sustavu. Uz to ovaj vitamin ima i relativno nisku toksičnost.

Vitamin B12 (kobaltamin)

je u vodi topljivi vitamin s vrlo važnom ulogom u različitim metaboličkim i sintetskim putevima. Naziv "vitamin B12" općenito se koristi za skupinu sličnih spojeva koji sadrže kobalt. Nedostatak može dovesti do megaloblastične anemije i nekih neuroloških oštećenja. Osnovu ovog vitamina čini jezgra korina, zbog čega se ova skupina spojeva zovu korinoidi. Jezgru čine 4 reducirana pirolna prstena koji su međusobno povezani dok kobalt čini središte molekule i čvrstom kovalentnom vezom vezan za 4 dušikova atoma. Prisutstvo kobalta je vrlo bitno za biološku aktivnost. Spoj sadržava i nukleotidni ostatak (baza, šećer, fosfat). Ovisno o skupini koja je kompleksno vezana na kobalt razlikuju se mnogi derivati (cijanokobalamin, hidroksikobalamin, metilkobalamin, deoksiadenozilkobalamin). Glavni "proizvođač" ovog vitamina su mikroorganizmi često u simbiotskom životu sa većim organizmom. Bogati izvor i najlakse dostupan vitamin B12 su obicno morski plodovi ili namirnice bogate mikroorganizmima: riba, mlijeko,

79

fermentirani sirevi, jetra dio njezine funkcije je skladištenje hranjivih tvari pa ga sadrzi u dostatoj količini, srce u njemu se nalazi medu ostalim zbog sadržaja velike količine krvi (crvenih krvnih zrnaca) koju B12 izgraduje. Meso je često presiromašan izvor tog vitamina za ljudske potrebe jer se teško apsorbira. U povrću ga i nema tek možda neupotrebljivo maloj razini djelomicno zbog malo onih mikroorganizama kojih žive na biljci, ili korjenju, zato ga i nalazimo u maloj količini biljoždera koji obično sadrže neznatne nakupine tih mikroorganizama u svom probavnom traktu. Modrozelene Alge kao Cijanobakterije vrsta vodene biljke često sastavljene od velike količine mikroorganizama, poput Spiruline ili AFA alga sadrže oveće količine lako apsorbivog vitamina B12, pa se koristi za nadomjestanje većeg nedostatka ili kao dodatak prehrani vegana.

Vitamin H (biotin)

u organizmu igra centralnu ulogu u metabolizmu ugljikohidrata, aminokiselina i masti. Dio je enzimskog sistema koji povezuje izgradnju i razgradnju spomenutih biomolekula, izvora energije u ćelijama. Naime, biotin je prenosnik karboksilne grupe tj. CO2 , važan u svim karboksilacijama u intermedijarnom metabolizmu. Pivski kvasac, iznutrice, piletina, hljeb, riba, žumance, banane, gljive te neke vrste povrća kao što su karfiol i mrkva predstavljaju dobar izvor biotina. Nije poznata avitaminoza zbog slabe prehrane jer se biotin stvara u crijevima pod utjecajem crijevne flore. Samo u slučajevima teškog oštećenja crijevne flore ili konzumacije sirovog bjelanca (koji sadrži antimetabolit biotina - avidin) može doći do razvoja nedostatka biotina. On se očituje kroz dermatitis, atrofični glositis, bolove u mišićima, anoreksiju, blagu anemiju i promjene u EEG-u. Biotin može pomoći u slučajevima gastrektomije, seboreičnog dermatitisa kod male djece i primjene avidina. Nije uputno pokušavati liječiti akne, seboreični ekcem i alopeciju uzimanjem pripravaka na bazi biotina.

Vitamin C (askorbinska liselina)

Vitamin C (L-askorbinska kiselina, L-askorbat) je vitamin kod ljudi i više životinjskih vrsta. U živim organizmima askorbat deluje kao antioksidans, te štiti telo od oksidatovnog stresa. On je isto tako kofaktor u najmanje šest enzimskih reakcija, među kojima je nekoliko reakcija kolagenske sinteze, čija disfunkcionalnost se manifestuje simptomima skorbuta. Kod životinja su ove reakcije posebno važne pri zarastanju rana i za sprečavanje krvarenja iz kapilara. Askorbat (jon askorbinske kiseline) je neophodan u nizu esencijalnih metaboličkih reakcija kod svih životinja i biljaka. Njega formira velika većina živih organizama, sa primetnim izuzetakom grupe sisara, među kojima je većina slepih miševa, zamorci, kapibare, i jedan od dva glavna podreda primata, antropoidi (suvonosni majmuni) (tarsijeri, majmuni, čovekoliki majmuni, i ljudi). Askorbinsku kiselinu isto tako ne sintetišu pojedine vrste ptica i riba. Svim vrstama koje nemaju sposobnost sinteze vitamina C, neophodno je da ga unesu putem ishrane. Dugotrani deficit ovog vitamina se manifestuje razvojem skorbuta.

80

Hormoni

Usklađuju djelovanje organa, tkiva i ćelija kod višećelijskih orgnizama. Za razliku od nervnog sistema hormonalna komunikacija je sporija i mjeri se u minutama i satima. Hormoni su hemijske signalne molekule koje se sintetišu u posebnim ćelijama u organizmu. Djeluju na ćelije ciljnih organa, gdje dovode do fiziološke i biohemijske regulacije. Najvažnije karike u hormonskom sitemu su: ćelije koje izlučuju hormone, krv putem koje se hormoni transportuju, ćelije ciljnog tkiva i organi koji inaktiviraju i eliminišu višak hormona (jetra i bubrezi). Nastajanje i otpuštanje hormona je strogo kontrolisano.

Prema mjestu nastajanja i načinu djelovanja:

1) neurosekretorni hormoni (sintetišu ih nervne ćelije, a do ciljnih organa dolaze krvotokom).

2) glandularni hormoni- nastaju u žlijezdanim ćelijama i ulaze u krvotok. Razlikuju se adenotropni hormoni- regulišu rad žlijezda i hormoni koji djeluju na periferno tkivo (insulin i kortizol).

3) aglandularni hormoni, ne sintetišu ih žlijezde i do ciljnih organa dospjevaju difuzijom u intersticijskim prostorima (parakrina regulacija).

4) medijatorske supstance-hormonima slične molekule (histamin i prostangladini).

Prema strukturi hormone možemo podijeliti u dvije grupe:

a) proteinski hormoni (insulin, glukagon)

b) steroidni hormoni (polni hormoni)

81

Najvažnije endokrine žlijezde u ljudskom organizmu:

Regulacija proizvodnje hormona

Sistem hipotalamus-hipofiza kontrolišu rad nekih žlijezda (rad štitne žlijezde i nadbubrežnih žlijezda). Izlučivanje insulina iz ćelija Langerhansovih ostrva pankreasa je kontrolisano koncentracijom glukoze u krvi.

Hormoni se razgrađuju uglavnom u jetri:

1) proteinski hormoni se razgrađuju djelovanjem proteaza Þ proteolitičkim cijepanjem i raskidanjem disulfidnih veza

2) steroidni hormoni se razgrađuju do ketonskih tijela.

Koncentracija hormona u krvi je od 10-7 do 10-12 M. Koncentracija hormona zavisi od brzine sekrecije, brzine inaktivacije i brzine izlučivanja iz organizma.

Jedna od karakteristika hormona je i njihova izražena specifičnost djelovanja (djeluju samo na određene “ciljne” organe).

82

Specifičnost se može objasniti postojanjem receptora na ćelijama ciljnih organa.

Receptori su proteinski molekuli koji vežu hormone i posreduju u njihovom djelovanju.

Način djelovanja hormona

Hemijski djeluju Þutiču na hemijske procese. Fiziološka djelovanja su posledice primarnog djelovanja hormona.

1) hormoni ulaze u ćeliju i u njoj se vežu za intracelularne receptore. Uglavnom djeluju na aktivnost gena, na transkripciju.

2) vezavinje za receptor na membrani Þ posledica je proizvodnja sekundarnog glasnika.

Djelovanje steroidnih hormona

Djelovanje peptidnih hormona

83

Steroidni hormoni i trijodtironin dovode do indukcije određenih enzima ili proteina u ciljnom organu. Steroidni hormoni ulaze u ćeliju i vežu se za receptor. Vezivanjem hormona, receptor mijenja konformaciju i može da se veže za DNA. Hormon-receptor kompleks stimulišu transkripciju određenih DNA sekvenci. Prepisuje se mRNA, koja odlazi u citoplazmu i na ribozomima se sintetiše određeni protein.

Peptidni hormoni, faktori rasta i neurtransmiteri, ne prolaze slobodno kroz plazma membranu ćelija. Vežu se na receptore sa spljašnje strane plazme membrane i dovode do promjene konformacije receptora. Hormonski signal se na tri načina prenosi u ćeliju:

Tip I receptor sa svojim vezanim efektorom endocitozom ulazi u ćeliju i razgrađuju se u lizozomima Þ dobijeni fragmenti omogućavaju hormonsko djelovanje (insulin i faktor rasta).

Tip II receptor je jonski kanal koji se vezivanjem efektora otvara i zatvara (acetilholin).

Tip III vezivanjem efektora, povećava se afinitet receptora za G-protein. Vezivanjem G-proteina za receptor aktiviraju se ili inhibiraju enzimi i posledica je proizvodnja sekundarnog glasnika (cAMP i Ca2+).

84

Hormoni nadbubrežne žlijezde

Nadbubrežna žlijezda je izgrađena od ćelija srži i ćelija kore.

Ćelije srži sintetišu adrenalin (epinefrin) i noradrenalin (norepinefrin) iz tirozina. Vezivanjem adrenalina (epinefrina) za receptor na plazma membrani pokreće se reakciona kaskada koja kontroliše razgradnju glikogena.

Kora nadbubrežne žlijezde sintetiše:

1) mineralokortikoide (aldosteron), regulišu režim Na+/K+

2) glukokortikoidi (kortizol). Pojačavaju razgradnju proteina i glukoneogenezu.

Hormoni kore nadbubrežne žlijezde imaju 21 C-atom. Biosinteza počinje od holesterola.

Mineralokortikoidi regulišu odnos Na+/K+: zadržava se Na+ i izlučuje se K+. Najvažniji mineralokortikoid je aldosteron. Reguliše reapsorpciju Na+/K+ u bubrežnim tubulima i pojačava izlučivanje K+ jona. Aldosteron se izlučuje kada je nivo Na+ u krvi jako nizak što dovodi do toga da bubrezi zadržavaju Na+. Ako je nivo Na+ povećan aldosteron se ne izlučuje i dio Na+ se gubi urinom. Kortizol je najvažniji glukokortikoid. Povećava koncentraciju glukoze u krvi. Podstiče glukoneogenezu iz AK nastalih razgradnjom proteina. Inhibira biosintezu proteina i pospješuju razgradnju proteina u mišićima, kostima i limfnim organima.

Hormoni štitne žlijezde

Tiroksin i trijodtironin

85

Oba hormona nastaju iz tireoglobulina. Tireoglobulin ima veliki broj reaktivnih tirozinskih ostataka. Tyr ostaci se prvo jodiraju. Joni J uzimaju se iz krvotoka oksiduju se do slobodnog J i kao takvi vežu na aromatični prsten tirozina. Kada iz hipofize dođe signal za lučenje tireoidnih hormona, tireoglobulin se razgrađuje djelovanjem proteolitičkih enzima štitne žlijezde, pri čemu se oslobađaju pomenuti hormoni. Hormoni štitne žlijezde su neophodni za rast i razvoj. Nedostatak kod mladih dovodi do teškog poremećaja-kretenizam. Kod odraslih nedostatak hormona dovodi do osjetljivosti na hladnoću. U slučaju hiperfunkcije štitne žlijezde povećana je frekvencija rada srca i bazalni metabolizam.

Hormoni pankreasa

Insulin, glukagon, somatostatin U ćelijama Langerhansovih ostrvaca pankreasa se proizvodi nekoliko hormona: insulin, glukagon, somatostatin ). Langerhansova ostrvaca su izgrađene od nekoliko vrsta ćelija A-ćelije (α-ćelije)- proizvode glukagon, B-ćelije (β-ćelije)-proizvode insulin i D-ćelije (δ-ćelije) –somatostain.

Insulin

Polipeptidna struktura, dva lanca povezana disulfidnim vezama (51 AK). Vrijeme poluživota je 5 min. Inaktivira se u jetri raskidanjem disulfidne veze. Izlučivanje je regulisano koncentracijom glukoze u ekstracelularnim tečnostima. Izlučivanje insulina stimuliše i gastointestinalni hormon. Biološko djelovanje insulina: snižava nivo šećera u krvi. Povećava propustljivost ćelijskih membrana za glukozu i druge šećere i pojačava razgradnju ugljenihidrata u ćeliji. U masnom tkivu insulin inhibira lipolizu, oslobađanje masnih kiselina, a pojačava prevođenje ugljenih hidrata u masti. Insulin se veže za receptore na ćelijskoj membrani i povećava broj proteinskih nosača za glukozu. Njegovo djelovanje omogućeno je posredstvom drugog (sekundarnog) glasnika. Vjerovatno su 2’ glasnici peptidi koji nastaju nakon proteolize. Insulin se sastoji od 2 polipeptidna lanca koji se označavaju sa A i B. Lanac A sadrži 21, a lanac B 30 AK ostataka. Glavni efekat djelovanja insulina je smanjenje konc glukoze u krvi. Povećanje glukoze iznad određene vrijednosti je signal za lučenje insulina. Nedostatak insulina u organizmu izaziva šećernu bolest (Diabetes mellitus). Uzrok bolesti je nedostatak insulina koji može biti posledica nedovoljne proizvodnje insulina ili povećanog izlučivanja hormona antagonista insulina (glukagon, somatotropin, kortizol). Sklonost bolesti je nasledna, a manifestuje se u prisustvu spoljašnjih faktora. Najvažniji simptomi su povećanje koncentracije glukoze u krvi i pojava ketonskih tijela u krvi i urinu. Povećana koncentracija glukoze u krvi je odgovor na smanjenu sposobnost perifernih tkiva da usvajaju glukozu. Dolazi i do smetnji u metabolizmu masti. Zbog nedostatka insulina povećava se koncentracija slobodnih masnih kiselina u krvi. MK dolaze do jetre gdje se razgrađuju do acetil-CoA koji ne može da se uključi u CLK pa nastaje acetoacetat.

Glukagon

86

Glukagon je polipeptid, sa jednim polipeptidnim lancem (29 AK). Glukagon povećava koncentraciju šećera u krvi: povećava glukoneogenezu iz laktata i stimuliše razgradnju glikogena.

Polni hormoni

Ženski polni hormoni: estrogeni (folikularni hormon) i gestageni (hormon žutog tijela).

Muški polni hormoni androgeni.

Androgeni

Po hemijskoj strukturi su steroidi sa 19C atoma. Testosteron je aktivni hormon. Sintetiše se u ćelijama testikularnog tkiva. U krvi se transportuje vezivanjem za globulin i albumin. Androgni hormoni omogućavaju nastajanje i funkcionisanje muških polnih karakteristika. Pored djelovanja na genitalni trakt, djeluju i na opšti metabolizam: stimulišu sintezu proteina.

Estrogeni

Steroidna jedinjenja sa 18 C atoma. Biogeneza se odvija u ovariju, a prekursor je testosteron koji se oksiduje na C-19. Razgradnja estrogena se odvija u jetri. Estrogni omogućavaju razvoj i funkcionisanje ženskog polnog organa, uterusa i sekundarnih ženskih polnih karakteristika. U opštem metabolizmu estradiol dovodi do smanjenja lipida u krvi i povećanje potkožinih naslaga masti.

Gestageni

Progesteron, steroid sa 21C atomom je najvažniji hormon žutog tijela. Nastaje u žutom tijelu i placenti iz holesterola i samo u određenim fazama menstrualnog ciklusa i u trudnoći. Progesteron reguliše djelovanje uterusa.

Hormoni hipotalamusa

Regulišu rad hipofize

U hipotalamusu se sintetišu neurosekretorne aktivne supstance, faktori oslobađanja (releasing factors). Faktori oslobađanja su veza između nervne i hormonske regulacije i uključeni su u sistem kontrole povratnom spregom periferna žlijezda-hipofiza. Neurosekrecija je izlučivanje hormona iz nervnih ćelija. Ove supstance se transportuju i izlučuju u krv. Hipofiza, žlijezda smještena ispod mozga. Sastoji se od neurohipofize i adenohipfize. Hormoni koje se sintetišu u hipofizi su uglavnom, tropni Þ regulišu rad drugih žlijezda.

87

Hormoni neurohipofize

Oksitocin i vazopresin

Oni su neurosekretorni hormoni, kratki peptidni lanci (3-12 AK). Oksitocin djeluje na glatku muskulaturu uterusa i utiče na kontrakcije. Pojačava i izlučivanje mlijeka. Vazopresin reguliše krvni pritisak, povećava ga. Djeluje na bubrege, pojačava resorpciju vode i povećava koncentraciju mokraće.

Hormoni adenohipofize

Peptidni hormoni i na osnovu Mr se mogu podjeliti u tri grupe:

1) melanotropin i kortikotropin (peptidi)

2) somatotropin i prolaktin (Mr 22kDa)

3) tirotropin, folitropin, lutotropin (Mr 28-34 kDa).

Kortikotropin, adenokortikotropni hormon, peptid izgrađen od 39 AK. Stimuliše oslobađanje hormona kore nadbubrežne žlijezde, povećava proizvodnju glukokortikoida. Kortikoliberin iz hipotalamusa djeluje na hipofizu i dovodi do pojačanog izlučivanja kortikotropina.

Hormon rasta (somatotropin) Specifičan za vrstu. Utiče na niz fizioloških procesa: pojačava rast kostiju i hrskavice, razgradnju masti, zadržavanje N i sintezu proteina, povećava koncentraciju šećera u krvi. Izlučivanje hormona rasta kontrolišu dva peptidna hormona iz hipotalamusa (somatostatin i stomatoliberin).

Tirotropin (TSH) Glandotropni hormon, stimuliše rad štitne žlijezde, oslobađanje tiroidnih hormona (T3 i T4). Glikoprotein izgrađen od dva polipeptidna lanca (Mr 28 kDa). Stimuliše usvajanje joda i pojačava izlučivanje tiroksina. Tiroliberin (TRH), proizvod lučenja hipotalamusa reguliše proizvodnju tirotropina.

Gonadotropni hormoni

Nisu specifični u odnosu na pol.

1) Folikularno stimulirajuće djelovanje (FHS folikularno stimulirajući hormon) –razvoj folikula u ovarijumu i sjemenih ćelija u testisu.

2) Međućelijsko stimulišuće djelovanje (intesticijalni ćelisjki stimulirajući hormon) – pojačava proizvodnju (estrona, testosterona).

Izlučivanje gonadotropnih hormona kontroliše gonadoliberin, sintetisan u hipotalamusu.

88

Hormoni probavnog trakta

Gastrointestinalni hormoni su peptidi. Nastaju u ćelijama koje nisu obuhvaćene u jednoj žlijezdi Þ tkivni hormoni. Karakteriše ih parakrino djelovanje, difuzijom kroz međuprostore dospjevaju do ciljnih organa, a ne krvlju. Gastrin nastaje u dijelu želudca i dvanaestopalačnog crijeva. Gastrin dovodi do povećanog stvaranja kiseline. Pankreozimin nastaje u ćelijama dvanaestopalačnog crijeva. Stimuliše sekreciju enzima pankreasa i započinje kontrakcije žučne kese. Sekretin je proizvod lučenja dvanaestopalačnog crijeva. Indukuje izlučivanje vode i hidrogenkarbonata iz pankreasa.

Hormoni bubrega

Eritropoetin ubrzava stvaranje i dozrijevanje eritrocita u koštanoj srži. Sistem renin –angiotenzin Renin je proteaza koju izlučuju bubrezi. Renin proteolitički cijepa angiotensinogen i nastaje angiotensin II i daljim cijepanjem nastaje angiotensin I. Angiotensin I djeluje vazokonstriktivno i povećava krvni pritisak Þ stimuliše osobađanje aldosterona iz kore nadbubrežne žlijezde. Bradikinin- proširuje krvne sudove i smanjuje krvni pritisak. Dovodi do kontrakcija glatke muskulature.

89

90

91

92

93

94