Základy biochémie Organizácia a chemické zloženie organizmov

Παρουσίαση με θέμα: "Základy biochémie Organizácia a chemické zloženie organizmov"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Základy biochémie Organizácia a chemické zloženie organizmov
Intermediárny metabolizmus Genetická informácia a základy jej prenosu Základy regulácie metabolizmu Biochémia endokrinného systému Základy klinickej biochémie 1. Šajter V. a kol.: Biofyzika, biochémia a rádiológia. 1. vyd. Martin: Vydavateľstvo Osveta s. 2. Sýkora A.: Základy biochémie. 1. vyd. FZ PU Prešov: Grafotlač,s.r.o s. 1 1 1

2 Organizácia a chemické zloženie organizmov
Štruktúra bunky a jej vzťah k metabolizmu – membrána a cytoplazma v biofyzike. Bunkové jadro – materiál je v chromozómoch, ktoré sú tvorené dlhou makromolekulou DNA s 3000 génmi. Bunka človeka má dve sady CH, v jadre je 46 CH. Mitochondrie – organely s dvoma membránami, a vnútrom matrixom, v bunke, - tvorba ATP, - energia na biosyntézu ATP sa získava v dýchacom reťazci. M sú energetické centrály bunky. Endoplazmatické retikulum – systém membrán v cytosóle buniek, - granulované ER s ribozómami, - hladké ER. GER – pri syntéze bielkovín, HER – modifikácia bielkovín (naviazanie oligosacharidov) Golgiho komplex – ploché membránové útvary, stred bunky, úprava a rozdeľovanie bielkovín. 2 2 2

3 Ribozómy – syntetizujú sa v nich bielkoviny, je to enzýmový komplex.
Lyzozómy – organely s jednoduchou membránou, obsahujú enzýmy s kyslým pH, rozkladajú biopolyméry na aminokyseliny, karboxylové kyseliny, monosacharidy, transportujú ich do cytosólu kde sa začlenia do metabolizmu. Ribozómy – syntetizujú sa v nich bielkoviny, je to enzýmový komplex. Cytosól – polovica bunkového objemu, miesto metabolických procesov, sú tu aj enzýmy. Pojmy: ATP - Adenozíntrifosfát je multifunkčný nukleotid. Najvýznamnejší je pre prenos chemickej energie v rámci bunky v metabolizme. ATP predstavuje primárny zdroj energie pre bunku. Energia sa uvoľňuje pri hydrolytickom štiepení molekuly kyseliny trihydrogénfosforečnej z nukleotidu ATP. Takto získaná energia je väčšia ako pri hydrolýze iných typov zlúčenín, preto ATP nazývame makroergickou zlúčeninou a makroergickú väzbu označujeme vlnovkou (nie je to nijako špeciálny typ väzby, je to proste obyčajná kovalentná väzba a vlnovkou zdôrazňujeme len jej energetický význam). 3 3 3

4 Bunkové jadro

5 Štrukturálny vzorec ATP

6 Mitochondria 6 6

7 Endoplazmatické retikulum
7 7

8

9

10

11 Cytoplazma glykolýza glukoneogeneza (z oxalacetátu alebo glycerolu)
metabolizmus glykogenu pentózový cyklus syntéza mastných kyselin syntéza neesenciálnych aminokyselin transaminačné reakcie syntéza močoviny (časť, len v pečeni!) syntéza hemu (časť) metabolizmus purinových a pyrimidinových nukleotidov

12 Mitochondria pyruvátdehydrogenázový komplex (PDH)
začiatok glukoneogenezy -oxidacia mastných kyselín syntéza ketolátek (len v pečeni!) oxidační deaminace glutamátu transaminační reakce citrátový cyklus dýchací reťazec (vnútorna mitochondriálna membrána) aerobní fosforylace (vnútorna mitoch. membrána) syntéza hemu (časť) syntéza močoviny (časť)

13 Endoplazmatické retikulum
Hladké ER syntéza triacylglycerolov (TAG) a fosfolipidov elongacia a desaturacia mastných kyselín (MK) syntéza steroidov biotransformacia xenobiotik glukóza-6-fosfatáza Drsné ER proteosyntéza (translacia a posttranslačná modifikacia)

14 Golgiho aparát Ribosomy Jádro posttranslačná modifikacia proteinov
triedenie proteinov export proteinov (tvorba sekrečných váčkov) Ribosomy proteosyntéza Jádro replikacia a transkripcia DNA syntéza RNA

15 Lyzosomy hydrolýza proteinov, sacharidov, lipidov a nukleových kyselin Peroxisomy oxidačné reakcie vyžadujúce O2 využitie peroxidu vodíka degradacia MK s dlhým reťazcom (od C20)

16 Chemické zloženie buniek
Anorganické látky v bunkách – prvky a zlúčeniny. Biogénne prvky tvoria živú hmotu. Biogénne prvky – prvky, ktoré sa vyskytujú v biosfére (nevyhnutne pre stavbu a životnú činnosť organizme) Makroelementy – (12 prvkov, 99%) a) stále primárne prvky (O, C, H, N, P, 1–60%) b) stále sekundárne prvky (Ca, S, Mg, Cl, Na, K, Fe, 0,05-1%) Mikroelementy a) menej ako 0,05% - podskupina 8 stálych prvkov (Cu, Zn, Mn, Co, B, Si, F, I) b) menej ako 0,001% - napr. Br, Se, V c) kontaminujúce prvky (Hg, Tl, Mn, Cr, Cd) Anorganické zlúčeniny – voda 60% hmotnosti človeka, rozpúšťadlo, transportné médium, disociácia zlúčenín na ióny. Minerálne látky. 16 16 16

17 Organické látky Sacharidy – súčasť všetkých buniek, 85-90% sušiny rastlín (fotosyntéza), 2% sušiny živočíchov (potrava a syntéza z aminokyselín a glycerolu), zložené z C,H,O skupín –OH, -CHO, -CO. Monosacharidy, oligosacharidy a polysacharidy. Glukóza, fruktóza, 2-deoxyribóza, ribóza, sacharóza, maltóza, laktóza, škrob, glykogén, celulóza. V zelených rastlinách vznikajú fotosyntézou: 6 CO H2O → C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2, za pomoci slnečného žiarenia a chlorofylu. Sú zásobné energetické látky (škrob, glykogén, inulín), aj stavebné látky (celulóza, hemicelulóza), (C6H10O5)n.

18

19 Glukóza, sacharóza a glykogén
19 19

20 Fruktóza Glukóza Sacharóza Laktóza

21 Lipidy – estery alkoholov a vyšších karboxylových kyselín
Lipidy – estery alkoholov a vyšších karboxylových kyselín. Triacylglyceroly estery glycerolu a vyšších KK, sú formou energetickej zásoby. Vosky – estery vyšších primárnych alifatických alkoholov a vyšších KK. Glycerofosfoaminolipidy – na 3C glycerolu je naviazaná kyselina fosforečná, sú stavebnou zložkou bunkových membrán. Sfingofosfoaminolipidy – namiesto glycerolu sfingozín (nenasýtený aminoalkohol), sú v nervovom tkanive. Glykolipidy – obsahujú sacharidy, v myelinových obaloch nervových vlákien. Cerebrozidy – majú 1 zvyšok monosacharidu viazaný na sfingozín, sú v mozgu a nervových tkanivách. Gangliozidy – obsahujú oligosacharid a sú predovšetkým v sivej mozgovej kôre. Steroidy – deriváty uhľovodíka steránu, napr. cholesterol, žlčové kyseliny a steroidné hormóny. 21 21 21

22 Mono, di a triacylglyceroly
Glycerofosfolipidy 22 22

23 Fosfolipid Sterán Glykolipid Testosterón

24 Cholesterol 24 24

25 Bielkoviny – jednoduché a zložené, 55% C, 21% O, 7% H, 17% N, S a P
Bielkoviny – jednoduché a zložené, 55% C, 21% O, 7% H, 17% N, S a P. Pospájané aminokyseliny (20 α) peptidovou väzbou. Podľa tvaru sú vláknité a globulárne. Štruktúra je primárna, sekundárna, terciárna a kvartérna. Mr = až , tvoria koloidné roztoky. B – štruktúrne, katalytické, transportné, pohybové, obranné, zásobné, výživové, senzorové a regulačné. Nukleové kyseliny – informačný systém je zabudovaný do makromolekúl NK, sú makromolekulové látky, v ich molekulách sa uchováva dedičná informácia, sú zložené z kyseliny fosforečnej, heterocyklickej dusíkatej bázy a pentózy. Tvoria nukleotid, nukleotidy sa spájajú fosfodiesterovou väzbou. Enzýmy – špecifické bielkoviny, katalyzujú reakcie, substrát – látka premenu ktorej enzým katalyzuje, produkt – vznikajúca látka, apoenzým je bielkovinová časť enzýmu, koenzým je nebielkovinová, holoenzým je kompletný účinný enzým, proenzým je prekurzor enzýmu. 25 25 25

26 *Esenciálne aminokyseliny
Aminokyseliny zúčastňujúce sa na výstavbe bielkovín Glukogénne aminokyseliny Ketogénne aminokyseliny Glukogénne aj ketogénne Alanín Arginín Cysteín Glycín Valín٭ Serín Prolín Kyselina asparágová Kyselina glutámová Histidín٭ Asparagín Glutamín Metionín٭ Treonín٭ Leucín٭ Izoleucín٭ Lyzín٭ Fenylalanín٭ Tyrozín Tryptofán٭ *Esenciálne aminokyseliny 26 26

27 GLY ALA CYS PHE VAL TRP TYR

28 Primárna štruktúra bielkovín
Sekundárna štruktúra- skladaný list (antiparalelne) Sekundárna štruktúra- pravotočivý α-helix 28 28

29 Terciárna štruktúra bielkovín
Kvartérna štruktúra bielkovín

30 Dusíkaté zásady 30 30

31 Štruktúra 2-deoxyribózy
31 31

32 Štruktúra nukleozidov a nukleotidov
32 32

33

34 E – na jeho kvantifikáciu sa používa enzýmová aktivita, 1 kat, mkat, nkat.
E ako biokatalyzátory, urýchľujú priebeh biochemických reakcií znižovaním aktivačnej energie. Mechanizmus pôsobenia enzýmov – vznik enzýmovo-substrátového komplexu, chemická reakcia, rozpad komplexu. Rýchlosť enzýmovej reakcie – od koncentrácie, od množstva enzýmu, od pH, od T. Aktivácia a inhibícia enzýmov – aktivátory a inhibítory. Klasifikácia a názvoslovie enzýmov – podľa reakcie: - oxidoreduktázy, - transferázy, - hydrolázy, - lyázy, - izomérazy, - ligázy. Koenzýmy – nebielkovinová zložka, darca alebo príjemca atómov, elektrónov, skupín atómov. 34 34 34

35

36 Mechanizmus účinku enzýmov, A - bez katalýzy, B - katalýzovaná enzýmom
36 36

37 Prehľad najdôležitejších koenzýmov
Chemické zloženie Funkcia Kyselina tetrahydrolistová Biotín Pyridoxal-5-fosfát NAD FAD Tiamíndifosfát Aktívna forma kyseliny Listovej Vitamín H Aktívna forma vitamínu B6 Derivát vitamínu PP Derivát vitamínu B2 Aktívna forma vitamínu B1 Prenos jednouhlíkových skupín Karboxylačné reakcie Transaminačné reakcie Oxidoredukčné reakcie Oxidačná dekarboxylácia 37 37

38 Intermediárny metabolizmus
Charakteristika metabolických procesov Základy bioenergetiky Biologické oxidácie Metabolizmus sacharidov Citrátový cyklus Metabolizmus lipidov a lipoproteínov Metabolizmus aminokyselín Metabolizmus nukleotidov Metabolizmus tetrapyrolov Acidobazická rovnováha a jej regulácia 38 38 38

39 Hlavné metabolické dráhy intermediárného metabolizmu
glykogenolýza glykolýza lipolýza -oxidacia odbourávánie ketolátok proteolýza Odbourávánie AMK glykogeneza glukoneogeneza lipogeneza syntéza MK ketogeneza proteosyntéza syntéza močoviny CITRÁTOVÝ CYKLUS, DÝCHACÍ REŤAZEC

40 Významné meziprodukty
acetyl-Co A pyruvát NADH

41 Základná charakteristika IM Základy bioenergetiky
V ľudskom organizme je stále rad reakcií, ktoré sú katalýzované biokatalyzátormi – IM – látková premena: - získavanie energie, - premena živín na makromolekuly, - syntéza bielkovín, NK a lipidov, - syntéza a degradácia biomolekúl na plnenie funkcií buniek. Mierne pH, T, bez nežiaducich vedľajších produktov. Metabolické reakcie – rozkladné a syntetické, väčšina sú vratné so špecifickým rovnovážnym stavom. Tvar lineárny (glykolýza), cyklický (Krebsov cyklus) a špirálovitý (β-oxidácia vyšších kk). Rozkladné a syntetické procesy. Vratné reakcie za vzniku rovnováhy. Základy bioenergetiky Živý organizmus termodynamický otvorená sústava, kryje svoju spotrebu na úkor prostredia a je s ním v dynamickej rovnováhe. Reakcie: - exergonické, - endergonické, - amfibolické. Tvorba energeticky bohatého medziproduktu – ATP je forma energetického spojenia metabolických procesov v organizme. 41 41 41

42 Metabolické dráhy

43

44 Makroergické zlúčeniny – vytvárajú sa oxidáciou substrátov, ich hydrolytickým štiepením sa uvoľní väčšie množstvo energie. Väzby v nich sú makroergické: difosfátová, acylfosfátová, enolfosfátová, guanidínfosfátová a tioesterová. ATP ako univerzálny zdroj energie – živý organizmus energiu potrebuje na: -syntézu, - aktívny transport, - svalovú kontrakciu a iné bunkové pohyby. ATP sa tvorí prevažne oxidačnou fosforyláciou. Jej ďalšie funkcie: - je substrát na tvorbu NK, nukleotidových koenzýmov (NAD), - je zdroj tepla, - signálny metabolit pri regulácii enzýmov. Organizmus potrebuje energiu na: - syntézu makromolekúl, - aktívny transport molekúl a iónov, - svalovú kontrakciu a iné bunkové pohyby. Biologické oxidácie Bunka získava energiu hlavne oxidačnými reakciami, až po H2O a CO2. Uvoľnená energia sa ukladá vo forme chemických väzieb, uvoľňuje sa hydrolýzou podľa potreby. 44 44 44

45 Typy makroergických väzieb
Typ väzby Príklad zlúčeniny Množstvo energie Uvoľnené pri hydrolýze väzby (kj.mol-1) Difosfátová ATP 30.5 Enolfosfátová Kyselina fosfoenol-pyrohroznová 61 Acylfosfátová Kyselina 1,3-difosfoglycerová 49 Guanidínfosfátová Kreatínfosfát 43 Tioesterová Acetyl-CoA 41 45 45

46 Makroergické väzby označené vlnovkami
Biologická oxidácia

47 Charakteristika OP v živej hmote – oxidácia (odovzdávanie e-), redukcia (prijímanie e-) . OP pri T organizmu, malé kvanta energie, viaceré medziprodukty, špecifické oxidačno-redukčné enzýmy. Dehydrogenácia – základná oxidácia v bunkách: - odobratie 2H substrátu na koenzým dehydrogenázy, - 2H sa transportujú v mitochondriách na O za vzniku vody, - uvoľnená energia na tvorbu ATP, - koenzýmy sú NAD (nikotínamidadeníndinukleotid) a FAD (flavínadeníndinukleotid). Redoxný potenciál – afinita redoxného systému k e-, e- sa prenášajú zo systému s nižším na systém s vyšším redoxným potenciálom. Koenzýmy oxidačno-redukčných reakcií – oxidoreduktázy: - s nikotínamidovými koenzýmami (NAD a NADP), - s flavínovými koenzýmami (FAD a FNM), - cytochrómy s hémom. Koncový dýchací reťazec KDR – systém prenášačov, berie atómy H a e- z redukovaných koenzýmov na O za vzniku vody, vo vnútornej mitochondriálnej membráne. Na obidvoch stranách membrány sa utvára protónový gradient (rozdiel, spád), uvoľnená energia na syntézu ATP. 47 47 47

48 Dehydrogenácia NAD

49 FAD

50 KDR

51 Metabolizmus sacharidov
Oxidačná fosforylácia – proces syntézy ATP elektrochemickým protónovým gradientom, PG – potenciálna energia, syntézu zabezpečuje ATP-áza lokalizovaná vo vnútornej mitochondriálnej membráne. Energia uvoľnená pri vybití protónového gradientu usmerní reakciu v smere tvorby ATP. Lokalizácia OP v mitochondriách – ide o prevažnú časť OP na zisk energie, okrem glykolýzy všetky metabolické procesy odbúravania potravy. Metabolizmus sacharidov Základný zdroj energie, vo forme glukózy a zásobnej látky glykogénu. Uhlík C potrebný na syntézu lipidov a tvorbu aminokyselín. Glukóza ma centrálnu úlohu. Procesy metabolizmu glukózy: - glykolýza, - citrátový cyklus, - pentózový cyklus, - glukoneogenéza, - syntéza a odbúranie glykogénu. 51 51 51

52 Glykolýza – základná metabolická cesta odbúrania glukózy, v cytosóle, s O aerobne → kyselina pyrohroznová, bez O anaeróbne → kyselina mliečna. Fázy G: - prvá – aktivácia G pomocou ATP za vzniku dlukóza-6-fosfátu, - druhá – reakcia kde sa 3-fosfoglyceraldehyd oxiduje na kyselinu 1,3-bisfosfoglycerovú, - tretia – menia sa 3C karboxylové kyseliny a vzniká kyselina pyrohroznová. G je aktivovaná ADP, AMP a NAD, inhibovaná NADH2 a ATP, z hormónov inzulín aktivuje G, glukagón ju inhibuje. Výnimkou sú bunky pracujúceho kostrového svalu, slabne prísun O, za anaeróbnych podmienok je reakcia katalýzovaná laktátdehydrogenázou, kyselina pyrohroznová sa redukuje na kyselinu mliečnu. Pentózový cyklus – časť G sa oxiduje v tukovom tkanive, pečeni a mozgu. Význam PC je energeticky (ATP), tvorba HNADH, tvorba ribózy pre NK. PC stimuluje inzulín. 52 52 52

53

54

55 55 55

56

57

58

59 Metabolizmus glykogénu – zásobný polysacharid, pečeň, kostrové svaly.
Glukoneogenéza – doplnenie G z necukorných substrátov pri dlhšom hladovaní, prebieha v pečeni a čiastočne v bunkách obličiek. Substrátom je kyselina pyrohroznová, oxáloctová a glycerol. Glukoneogenéza je glykolýza opačným smerom. Koenzýmom je biotín. Substráty vznikajú z kyseliny mliečnej a z aminokyselín. G aktivizujú glukokortikoidy (kôra nadobličiek), i glukagón (pankreas). Inzulín inhibuje proces G. Metabolizmus glykogénu – zásobný polysacharid, pečeň, kostrové svaly. Syntéza glykogénu – zložený z glukózových jednotiek, aktivácia glukózy pomocou ATP, enzýmom je glykogénsyntetáza. Odbúravanie glykogénu – zníženie koncentrácie glukózy v krvi, vpečeni sa aktivuje štiepenie glykogénu, fosforolyticky, kyselinou fosforečnou, produkt je fosforečný ester glukózy. Regulácia metabolizmu glykogénu – hormóny glukagón, adrenalín a inzulín, inzulín aktivuje syntézu a inhibuje odbúravanie, glukagón a adrenalín opačne. 59 59 59

60

61

62 Glykémia a je regulácia – glukóza – dôležitý zdroj energie buniek, CNS výlučne oxidáciou glukózy. Fyziologická koncentrácia glukózy v krvi (glykémia) je 3,3-5,6 mmol-1. Hypoglykémia < 2,25 mmol-1 – poruchy CNS. Zvýšenie c: - prívod glukózy potravou, - vyššou glykogenolýzou (zvýšené štiepenie glykogénu), - vyššou glukoneogenézou. Hyperglykémia sa upraví: - vyššou oxidáciou glukózy v bunkách, - vyššou syntézou glykogénu, - premenou glukózy na lipidy (do tukového tkaniva). Nervová regulácia a hormónová regulácia zvýšenia glykémie. Signály s CNS vyvolajú vyplavenie adrenalínu, ktorý stimuluje štiepenie glykogénu. Z hormónov sú to pankreatické – glukagón a inzulín, a kôry nadobličiek – glukokortikoidy. Chorobné stavy s porúch regulácie – napr. cukrovka, hyperglykémia diabetes melitus je spôsobená absolútnym alebo relatívnym nedostatkom inzulínu. 62 62 62

63 Citrátový cyklus CC – cyklická metabolická dráha v matrixe mitochondrie, kde sa zvyšok kyseliny octovej (acetyl-CoA) oxiduje na CO2 za vzniku redukovaných dehydrogenáz, ktoré odovzdávajú vodíky do dýchacieho reťazca, na O, uvoľní sa energia, na syntézu ATP. Vznik Acetyl-CoA – medziprodukt metabolizmu, tvorí sa z látok: - počas metabolizmu tukov (β-oxidácia vyšších KK), - metabolizmus cukrov (oxidačná dekarboxylácia kyseliny pyrohroznovej), - metabolizmus aminokyselín (glukogénne tvorbou glukózy alebo ketogénne ich odbúravaním). Reakcie CC – v matrixe, začína kondenzáciou acetyl-CoA a kyseliny oxáloctovej na kyselinu citrónovú, v CC 4 oxidačné reakcie, dehydrogenázy ich katalyzujú, za využitia koenzýmov NAD a FAD. Na priebeh CC pôsobí aktivačne NAD a ADP, inhibične ATP a NADH2. 63 63 63

64 64 64

65

66 Citrátový cyklus 66 66

67 Metabolizmus lipidov a lipoproteínov
L – estery alkoholov a vyšších KK. Intermediárny metabolizmus tukov zahŕňa ich katabolizmus aj syntézu. Katabolizmus triacylglycerolov – ich hydrolýza na glycerol a vyššie KK, pomocou lipázy v tukovom tkanive, glukagón a adrenalín sú aktivátory. β-oxidácia vyšších KK – katabolický proces, reťazec sa štiepi na 2 uhlíkové zvyšky kyseliny octovej naviazané na CoA. Cyklus reakcií, vedúci k oxidácií β-uhlíka KK. Opakovanie cyklu sa celá KK mení na acetyl-CoA. Prebieha v mitochondriách. Syntéza vyšších KK – každá zlúčenina schopná premeny na acetyl-CoA sa stáva potenciálnym substrátom pre tvorbu vyšších KK, potrebný je aj redukovaný koenzým NADP, NADPH2 vzniká pentózovým cyklom v cytosóle. Acetyl-CoA vzniká odbúraním cukrov, tukov a aminokyselín. Aktivátor syntézy je kyselina citrónová, inhibítor je palmitoyl-CoA, inzulín aktivuje syntézu KK, glukagón inhibuje. 67 67 67

68

69 Vstup vyššej KK do β-oxidácie:
R–COOH + CoA + ATP = acyl–CoA + AMP + PP mastná kyselina + CoA + ATP  acyl-CoA + AMP + PPi (2Pi)

70 Syntéza triacylglycerolov – tvoria sa v pečeni, tukovom tkanive a bunkách tenkého čreva z glycerol-3-fosfátu a aktivovaním vyšších KK, glycerol-3-fosfát vzniká redukciou dihydroxyacetónfosfátu medziproduktu glykolýzy. Syntéza cholesterolu – steroidová látka, zložka membrán, substrát pre tvorbu žlčových kyselín, steroidových hormónov, vitamín D. CH – potravou alebo sa vytvára v niektorých tkanivách a orgánoch. Acetyl-CoA je stavebnou jednotkou, enzýmy sú v membránach endoplazmatického retikula. Biosyntéza CH – tri fázy: - syntéza aktívnej izoprénovej jednotky, -kondenzácia 6 IJ za vzniku skvalénu, - premena (cyklizácia) skvalénu na cholesterol. Potrebný dostatok acetyl-CoA, NADPH2 a ATP. Glukagón inhibuje, inzulín stimuluje syntézu CH. 70 70 70

71 Syntéza triacylglycerolov

72

73 Lipoproteíny, ich metabolizmus a funkcie – častice s centrálne uloženými hydrofóbnymi molekulami esteru cholesterolu, triacylglycerolu a povrchovými hydrofilnými fosfolipidmi a apoproteínmi. Podľa hustoty častíc: - chylomikróny – najnižšia hustota, najväčšie, v bunkách tenkého čreva, proteíny/lipidy = 1:100, triacylglyceroly z lipidov zo stravy, - lipoproteíny veľmi z nízkou hustotou (VLDL), v pečeni z triacylglycerolov vznikajúcich premenou sacharidov zo stravy, - lipoproteíny s nízkou hustotou (LDL) vznikajú z VLDL odbúravaním triacylglycerolov, LDL sú hlavným nosičom exogénneho a endogénneho CH v krvnej plazme, - lipoproteíny s vysokou hustotou (HDL) sú najmenšie častice, pomer lipidy/proteíny je 1:1, tvoria sa v pečeni a bunkách tenkého čreva. 73 73 73

74

75 Metabolizmus lipoproteínov – chylomikróny, z erytrocytov do lymfy a do krvného obehu, od HDL získavajú apoproteíny C a E, apoproteín C umožňuje ich odbúranie, - biologickou funkciou VLDL je transport triacylglycerolov z pečene do svalového tkaniva ako zdroj energie, a do tukového tkaniva do zásoby, - postupným odbúraním triacylglycrolov pomocou LPL (lipoproteínová lipáza) sa VLDL mení na LDL, - chylomikróny a VLDL sú zdroj triacylglycerolov a vyšších KK pre tkaniva, LDL poskytuje cholesterol na membrány, - HDL transportuje cholesterol z periférie do pečene. Poruchy tvorby, transportu alebo odbúrania lipoproteínov má za následok hyperlipoproteinemiu – zvýšenie jednej či viac lipoproteínových frackií v sére: - primárna (dedičná porucha metabolizmu lipidov), - sekundárna (sprievodný príznak iného ochorenia napr. cukrovky). Hyperlipoproteinémia a tučnota – rizikové faktory etiopatogenézy, aterosklerózy a teda napr. ischemickej choroby srdca a náhlych cievnych mozgových príhod. 75 75 75

76 Metabolizmus aminokyselín
Do organizmu vo forme bielkovín, plnia funkcie: - substrátom pre syntézu bielkovín, - pri katabolizme poskytujú glukogénné (syntéza glukózy) a ketogénné (syntéza tukov) aminokyseliny, - v núdzi C skelet na tvorbu energie, - z niektorých špecifické produkty na syntézu keratínu, karnitínu, katecholamínov atď. 20 A na syntézu bielkovín, neesenciálne a esenciálne. Trávenie bielkovín – denaturácia žaludočnou kyselinou a štiepenie na zmes polypeptidov pomocou pepsínu, - pokračovanie v dvanástniku a tenkom čreve pankreatickou šťavou s proteolytickými enzýmami, vznikajú zmes oligopeptidov a voľné aminokyseliny, - koniec trávenia v hornej časti tenkého čreva, voľné aminokyseliny sa aktívne transportujú špecifickými prenášačmi, - po vstrebaní sa A dostávajú portálnou krvou do pečene, svalových buniek a obličiek kde sa vychytávajú. 76 76 76

77 Reakcie aminokyselín – A sa zapájajú do metabolizmu reakciami: - všeobecné metabolické reakcie (transaminácia, deaminácia a dekarboxylácia), - špecifické jednotlivých aminokyselín. Transaminácia – reakcia aminokyseliny a 2-oxokyseliny, na ktorú sa prenáša NH2, pričom vzniká nová A. Transferázy a koenzým pyridoxyl-5-fosfát (PLP). C skelet A do IM, a syntéza neesenciálnych A. Dekarboxylácia – reakcia, kde sa z A odsrani karboxyl, vniknú primárne amíny. Koenzým je tiež PLP, vzniká veľa dôležitých látok. Deaminácia – uvoľnenie amoniaku z A priamo a nepriamo. Metabolizmus amoniaku – amoniak z A z odbúravania nukleových kyselín, je toxický na CNS, detoxikuje v pečeni, glutamín na močovinu. Fixácia a transport amoniaku – amoniak z tkanív sa viaže na kyselinu glutámovú, glutamín krvou do pečene. 77 77 77

78 Niektoré dôležité produkty dekarbolaxylácie aminokyselín
Aminokyselina Primárny amín Biologický význam Serín Etanolamín, cholín Fosfolipidy Treonín Propanolamín Vitamín B12 Cysteín Cysteamín Koenzým A Kyselina asparagová β-alanín Kyselina glutámová Kyselina gamaaminomaslová Inhibiličný mediátor Histidín Histamín Mediátor Tryptofán Tryptamín 78 78

79 Detoxikácia amoniaku – cyklus tvorby močoviny, vhodná na elimináciu amoniaku, netoxická, vo vode rozpustná, bez náboja, difunduje cez membrány, vylučuje sa obličkami. M sa tvorí v pečeni, vzniká cyklickým procesom. Krvou sa tarnsportuje do obličiek a vylúči sa močom. Využitie C skeletu aminokyselín – po deaminácií na tvorbu energie po jeho oxidácii. Ak glukogénne A tak na tvorbu glukózy. Pri katablizme ketogénnych A vzniká acetyl-CoA, na syntézu vyšších KK a lipidov (ketolátok). Metabolizmus jednotlivých aminokyselín – špecifické metabolické reakcie. Glycín – detoxikačné procesy, a konjugačné reakcie, substrát pre kreatín, hém, purínové nukleotidy a glutatión, vzniká z neho serín. Alanín – vzniká aj transamináciou kyseliny pyrohroznovej, využitie pri syntéze neesenciálnych A. Serín – zdroj 1C skupín v metabolizme, substrát pre syntézu atanolamínu, cholínu a sfingozínu, vzniká z neho glycín. 79 79 79

80 Cysteín – substrát pre glutatión a taurín Kyselina asparágová -
Metionín – donor metylových skupín pre syntézu cholínu, adrenalínu, kreatínu a karnitínu. Cysteín – substrát pre glutatión a taurín Kyselina asparágová - Kyselina glutámová – substrátom pre glutatión, Arginín – zúčastňuje sa tvorby močoviny a kreatínu. Histidín – jeho dekarboxyláciou vzniká histamín Prolín – Fenylalanín a tyrozín – aromatické A, substrát pre tvorbu katecholamínov, melanínu a tyroxínu. Tryptofán – pri tvorbe kyseliny nikotínovej a nikotínamidu (vitamín PP), z neho serotonín. 80 80 80

81 Syntéza pyrimidínových nukleotidov – najprv sa vytvorí karbamoylfosfát
Metabolizmus nukleotidov – purínové a pyrimidínové nukleotidy, súčasť živej hmoty, plnia funkcie: - stavebná zložka NK a nukleotidových koenzýmov (NAD, FAD, FNM), - súčasť aktivovaných medziproduktov (UDP-glukóza, CDP-diacylglycerol), - metabolické a fyziologické procesy na transformáciu chemickej energie do makroergických zlúčenín (ATP), - regulátory metabolických procesov (ADP aktivuje glykolýzu). Syntéza nukleotidov – de novo, z jednoduchých substrátov (ribóza, CO2, NH3, aminokyseliny), - pomocnými cestami, substráty sú produkty odbúravania nukleotidov. Syntéza purinových nukleotidov – de novo je energetický náročná, základ je ribóza-5-fosfát a postupne sa buduje purínový kruh, - menej náročne, pomocnými cestami – využitie metabolitov odbúrania nukleotidov, ktoré majú purínové jadro. Syntéza pyrimidínových nukleotidov – najprv sa vytvorí karbamoylfosfát Syntéza deoxyribonukleotidov – premenou z nukleotidov za pomoci enzýmu ribonukleotidreduktázy a koenzýmu NADPH2. 81 81

82 Metabolizmus tetrapyrolov
Odbúravanie purínových nukleotidov – postupne sa odstraňuje NH2 skupina, odštepuje sa fosfátová skupina a pentóza, vzniká xantín a hypoxantín, ich oxidáciou kyselina močová, ktorá sa vylučuje močom. Odbúravanie pyrimidínových nukleotidov – rozštiepi sa aj heterocyklický pyrimidínový kruh až na jednoduché zlúčeniny. Metabolizmus tetrapyrolov Porfyríny – cyklické zlúčeniny, najdôležitejší je hém, obsahuje Fe, viazaný s bielkovinou-hemoproteíny. Syntéza hému – začiatok a koniec v mitochondriách, ostatné reakcie v cytosóle. Dôležité procesy v krvotvornom tkanive a pečeni. Substrát je glycín a sukcinyl-CoA. Základné hemoproteíny a ich biologický význam – hemoglobín – dýchací pigment, na každý hém viazaná O2 (HbO2), - myoglobín – vo svale, rezerva O pri svalovej práci, - cytochrómy – v bunke na prenos elektrónov, cytochróm b5 a cytochróm P 450. 82 82

83 Acidobazická rovnováha a jej regulácia
Odbúravanie hému a vznik žlčových kyselín – hlavný produkt odbúravania hému je bilirubín – žltý tetrapyrol, hém sa rozpadá v stárnucích erytrocytoch, bilirubín sa tvorí hlavne v slezine, transportuje sa krvnou plazmou do pečene, kde sa viaže na albumín a ide do pečeňových buniek, s kyselinou glukorónovou dáva diglukoronid biliribínu, ktorý sa vylučuje do žlče a ňou do hrubého čreva, kde sa oxiduje a vznikajú žlčové farbivá. Hyperbilirubinémia a ikterus – porucha metabolizmu bilirubínu má za následok hyperbilirubinémiu, žlté sfarbenie sklér, kože, slizníc. Prehepatálny, hepatálny a posthepetálny ikterus. Acidobazická rovnováha a jej regulácia Konštantné pH – správna funkcia buniek. Udržanie ABR – tlmivé systémy, obličky a dýchací systém. Tlmivé systémy sú sústavy zo slabej kyseliny a jej soli so silnou zásadou. Dýchací systém reguluje CO2 v krvi. Obličky regulujú NaHCO3. 83 83

84 Kvartérna štruktúra hemoglobínu a štruktúrny vzorec hemu
84 84

85 Prehľad najdôležitejších hemoproteínov Hemoproteín Molekulová hmotnosť
Výskyt Funkcia Hemoglobín 64 500 Erytrocyty Transport O2 Myoglobín 17 000 Svaly Kataláza Pečeň, erytrocyty Katabolizmus H2O2 Cytochróm b 60 000 Mitochondrie Dýchací reťazec Cytochróm c 12 400 Cytochróm b5 58 000 Endoplazmatické retikulum Desaturácia Cytochróm P 450 50 000 Monooxygenázový systém 85 85

86 Základné poruchy ABR – acidóza – zvýšenie [H+] a zníženie pH pod 7,36, - alkalóza – pokles [H+] a vzostup pH nad 7,44. Metabolické respiračné poruchy ABR sú výsledkom narušeného dýchania. Odchýlky od normálnej ABR vyvolávajú reakciu, snahu obnoviť fyziologické pH. Okamžitú reakciu zabezpečujú tlmivé systémy. Adaptačnú reakciu obličky a dýchací systém. 86 86

87 Genetická informácia a základy jej prenosu
GI – súbor inštrukcií pre znaky, procesy a prejavy organizmu. Gén sú informácie na určenie jednej vlastnosti. Informácia o bielkovinách je uložená v molekulách DNA. Replikácia je pri delení buniek, GI z materskej DNA do novej dcérskej DNA a tá sa prenáša do dcérskej bunky. Transkripcia – prenos GI z DNA na RNA. Translácia – preklad GI z RNA do štruktúry bielkoviny, do jej primárnej štruktúry - poradie aminokyselín v polypeptidovom reťazci. Replikácia DNA – syntéza DNA, zdvojnásobnenie genetického materiálu, jej prepis do 2 dcérskych buniek, DNA sú rovnaké, zachovanie GI. Syntéza novej DNA semikonzervatívnym spôsobom, rovnaké poradie deoxynukleotidov zabezpečuje komplementarita báz. 87 87

88 Transkripcia – prepis GI z DNA do RNA, mRNA (informácia na syntézu určitek bielkoviny), tRNA (viaže určitú aminokyselinu a transportuje ju na ribozóm), rRNA (stavebná zložka ribozómov). Translácia – posledný stupeň prenosu prenosu GI z DNA cez mRNA do molekul bielkovín. Presne definovaná primárna štruktúra bielkovín – poradie aminokyselín v polypeptidovom reťazci – táto informácia je uložená v poradí nukleotidov v reťazci mRNA a nazýva sa genetický kód. GI bunky je v DNA zabudovaných do chromozómov. Z DNA → RNA → do bielkovín. Poradie nukleotidov v reťazci mRNA určuje poradie aminokyselín v polypeptidovom reťazci bielkovín, čo predstavuje GK pre syntézu bielkovín bunky. V B je 20 druhov aminokyselín, každá má určitý systém kódovania. V mRNA sú premenlivé len purínové a pyrimidínové bázy, preto ich poradie v reťazci vytvárajú jednotlivé slová GI. Treba kódovať 20 A, preto existuje minimálne 20 slov GK. V mRNA sú 4 bázy, 1 resp. Kombinácia 2 báz nemôže kódovať 1 A, pretože počet kombinácií by bol len, 16, čo nestačí. Dosť je kombinácia 3 báz, čo je 64 možnosti. 88 88

89 Transkripcia genetickej informácie z DNA do mRNA
Translácia genetickej informácie z mRNA do peptidového reťazca 89 89

90 Slová GK sa skladajú z poradia 3 nukleotidov (báz) v reťazci mRNA
Slová GK sa skladajú z poradia 3 nukleotidov (báz) v reťazci mRNA. Triplet (kodón) je trojica báz kódujúca 1A. Kodón UUU je pre fenylalanín. (kombináciou 3 zo 4 vytvoríme 64 kombinácií) Väčšina A sú kódované viacerými tripletmi. Leucín až 7. Zo 64 tripletov 3 len ukončujú syntézu. Pre GK platí: - je monogamický (1t-1A), - je degenerovaný (1A-viac t), - je univerzálny (t rovnaký pre bunku človeka aj baktérie), - neprekrýva sa (posledné písmeno t nemôže byť prvým ďalšieho t). Proteosyntéza – syntéza nových bielkovín na základe GI, zúčastnené viaceré organely, enzýmy a iné látky. 2 etapy P: - transkripcia a translácia. 90 90

91 tRNA prenášajúca aminokyselinu pri syntéze bielkoviny
91 91

92 Základy regulácie metabolizmu
Stabilita a adaptabilita – vlastnosti živých systémov. Metabolická homeostáza (dynamická rovnováha), nevyhnutná pre metabolické a orgánové funkcie sa zabezpečuje veľkou adaptabilitou biochemických procesov. RM – problém usmernenia toku živín a metabolitov po anabolických a katabolických cestách. Regulačné mechanizmy RM: - na úrovni bunky (metabolická regulácia), na úrovni organizmu (humorálna, endokrinná regulácia). Regulácia na úrovni bunky–metabolická regulácia. Ovplyvnenie aktivity enzýmov – katalytická aktivita (zmena koncentrácie substrátu, pH, aktivátory a inhibítory), množstvo enzýmu. Zmena aktivity enzýmu – alosterickou moduláciou (interakciou, enzým má katalytické miesto, kde sa viaže substrát a má aj alosterické miesto kde viažu špecifické aktivátory alebo inhibítory, napr. fosfofruktokináza aktivovaná ADP a NAD a inhibovaná ATP a NADH) a kovalentnou modifikáciou (odštiepenie časti molekuly enzýmu alebo naviazanie funkčnej skupiny na enzým, čo vyvolá jeho aktiváciu alebo inhibíciu, napr. pepsín). 92 92

93 Biochémia endokrinného systému
Zmena množstva enzýmov: - zvýšenie, jeho zvýšenou syntézou (indukciou), alebo spomalením jeho degradácie, - zníženie, tlmením syntézy (represia), alebo urýchlením jeho degradácie. Regulácia na úrovni organizmu - medziorgánová regulácia. Je zložitá a zabezpečovaná viacerými signalizačnými a regulačnými systémami, napr. nervový systém a endokrinný systém – endokrinná regulácia, v špecializovaných bunkách endokrinných žliaz tvoria špecifické chemické mediatóry- hormóny, ktoré sa krvou KO dostávajú k cieľovým bunkám a môžu ovplyvňovať metabolizmus buniek. Biochémia endokrinného systému Funkčná regulačná jednotka = ES +NS, NS - rýchla regulácia, ES – udržiavanie rovnováhy. Všeobecná endokrinológia – hormón je zlúčenina, tvorí sa v orgáne, tkanive, vylučuje sa do krvi a účinkuje v iných cieľových orgánoch a tkanivách. 93 93

94 Hormóny majú - cielený účinok, - špecifickosť a - vysokú účinnosť
Hormóny majú - cielený účinok, - špecifickosť a - vysokú účinnosť. Delíme ich na: - peptidy a proteohormóny, - steroidové hormóny, - modifikované aminokyseliny – iné. Mechanizmus účinku hormónov – nízke koncentrácie, veľa účinkov. Účinky rýchle (metaolické) pomalé (rastové). ES: - signál (hormón) – miesto vzniku (endokrinná žľaza) – receptor v bunke cieľového orgánu (bielkovinový charakter, zachytí a rozpozná hormón, viaže, sprostredkuje pôsobenie). R: - membránové (na membráne, viažu bielkovinové hormóny a katecholamíny, tvorba druhého posla), - vnútrobunkové (v cytosóle alebo jadre, rozpoznávajú lipofilné hormóny, naviažu sa na DNA, ovplyvňujú syntézu určitých bielkovín). H viažúce sa na MR, sú väčšinou hydrofilné. MR – receptory spojené s iónovými kanálmi, - R súvisiace s tvorbou druhého posla, - R s vlastnou enzýmovou aktivitou. 94 94

95 Typy membránových receptorov
95 95

96 Pôsobenie hormónu na bunku prostredníctvom druhého posla
96 96

97 Pôsobenie hormónu viažuceho sa na vnútrobunkový receptor
97 97

98 Špeciálna endokrinológia
Regulácia činnosti endokrinných žliaz – spätná väzba, to je, že produkt činnosti ju spätne ovplyvňuje. Zvýšenie množstva produktu znamená útlm jeho tvorby a naopak. SV sa skladá: - endokrinná žľaza, - hormón, - metabolická zmena hormónom, - R registrujúci c hormónu, a zmenu zloženia krvi, - spojenie senzoru s endokrinnou žľazou. Napr. závislosť regulácia sekrécie inzulínu od c glukózy v krvi. Špeciálna endokrinológia Hormóny hypofýzy – adenohypofýzy a neurohypofýzy. Adenohypofýza produkuje rad H, majú bielkovinový charakter. Adrenokortikotropný hormón (ACTH) – peptid z 39 aminokyselín. Rastový somatotropný hormón (STH) – polypeptid, Mr= Prolaktín (PRL) – polypeptid z 199 aminokyselín. Tyrotropný hormón (TSH) – glykoproteín. Gonadotropíny (FSH) a (LH) – glykoproteíny. 98 98

99 Prehľad endokrinných žliaz, 1-epifýza, 2-hypofýza, 3-štítna žľaza a prištítne telieska, 4-detská žľaza, 5-nadobličky, 6-Langerhansove ostrovčeky, 7-pohlavné žľazy 99 99

100 Hormóny štítnej žľazy – 3 milióny žľazových folikulov.
Neurohypofýza – H sa v nej skladujú a z nej vylučujú, tvoria sa v hypotalame. Antidiuretický H (ADH) – peptid z 9 aminokyselín. Oxytocín – peptid z 9 aminokyselín. Hormóny štítnej žľazy – 3 milióny žľazových folikulov. Tyroxín (T4) a Trijódtyronín (T3) – obsahujú J. Hormóny kôry nadobličiek Glukokortikoidy – steroidové látky, substrátom syntézy je cholesterol. Kortizol – hlavný glukokortikoid - antagonista inzulínu. Mineralkortikoidy – hlavný je aldosterón. Hormóny drene nadobličiek Katecholamíny – hlavný je adrenalín, tvoria sa z tyrozínu 100 100

101 Biologické účinky glukokortikoidov
101 101

102 Schéma syntézy katecholamínov
102 102

103 Hormóny pankreasu – Langerhansove ostrovčeky- endokrinná sekrécia.
Kalciotropné hormóny – udržiavajú stálu koncentráciu Ca v krvnej plazme. Ľudský parathormón (PTH) – lineárny peptid z 84 aminokyselín v prištítnych telieskach. Kalcitonín – parafolikulárne bunky štítnej žľazy. Hormóny pankreasu – Langerhansove ostrovčeky- endokrinná sekrécia. Ľudský inzulín – proteín z 51 aminokyselín. Glukagón – katabolický H – peptidový H z 29 aminokyselín. Pohlavné hormóny Mužské PH – androgény – steroidové hormóny – testosterón syntetizuje s cholesterolu v Leydigových bunkách v testes. Ženské PH – estrogény a gestagény (progesterón) sú produkované vaječníkmi – steroidové hormóny – z cholesterolu. 103 103

104 Zmeny koncentrácie hormónov počas ovariálneho cyklu
104 104

105 Zmeny počas ovariálneho a menštruačného cyklu
105 105

106 Základy klinickej biochémie
Biochemické vyšetrenia – diagnostika ochorení. 60% informácií: - info o metabolických funkciách, - majú široký rozsah, - súm kvantifikovateľné, - relatívne dostupné. Musí byť: - cielené a správne indikované, - spoľahlivé, - rýchle, - správne vyhodnotené. Diagnostický proces – indikácia na vyšetrenie, predanalytická, analytická a interpretačná časť. Indikácia na vyšetrenie – prvý predpoklad efektivity. BCH na stanovenie diagnózy ochorenia, na monitorovanie priebehu, detekciu komplikácií, skríning, odhad rizika. BCH poznáme urgentné a plánované. Predanalytická fáza – od naordinovania vyšetrenia po dodanie materiálu na OKB: - príprava pacienta, - odber materiálu, - skladovanie a transport materiálu. 106 106

107 Analytická fáza – prevzatie materiálu a žiadanky na OKB, - identifikácia vzorky, - posúdenie kvality vzorky, - pridelenie čísla, - analýza vzorky, - výsledky v písomnej forme, - rozvoz alebo telefonicky, - zaznamenať meno, kto výsledok prijal. Interpretácia výsledkov BCH – výsledok BCH je informáciou, keď sa posudzuje: - vo vzťahu k referenčným hodnotám, - porovnaním s výsledkami iných vyšetrení v súbore, - s výsledkami toho istého BCH v určitom časovom období. Referenčné hodnoty – na porovnanie s výsledkami BCH. RF – hodnoty určitej kvantity, od jedincov s definovaným stavom zdravia. Referenčný interval. Na hodnotu určitého biochemického parametra vplýva: - faktory neovplyvniteľné (vek, pohlavie, genetické, gravidita), - faktory ovplyvniteľné (výživa, poloha tela, záťaž, užívanie liekov). 107 107

108 Referenčné hodnoty 108 108

109 18. 11. 2018 18. 11. 2018 109 109 Parameter Referenčné hodnoty Sodík
mmol. l-1 Drasík 3,5 - 5,5 mmol. l-1 Chloridy mmol. l-1 Vápnik 2,25 - 2,75 mmol.l-1 Horčík 0,8 - 1 mmol. l-1 Glykémia 3,5 - 6,1 mmol. l-1 Triacyglyceroly 0,45 - 1,68 mmol. l-1 Celkový cholesterol 3,1 - 6,5 mmol. l-1 HDL- cholesterol 0,8 - 2,2 mmol. l-1 Celkové bielkoviny g. l-1 Albumín g. l-1 Celkový bilirubín μmol. l-1 Konjugovaný bilirubín do 5 μmol. l-1 Močovina 3,6 - 9,3 mmol. l-1 Kyselina močová μmol. l-1 Kreatinín muži do 100 μmol. l-1 ženy do 95 μmol. l-1 Glykovaný Hb 6- 8% Železo 16,3 - 31,3 μmol. l-1 ALT do 0,83 μkat. l-1 AST ALP dospelí 1,3 – 2 μkat. l-1 ACP do 225 nkat. l-1 GMT do 1,1 μkat. l-1 CK 0,7 - 6,1 μkat. l-1 Amyláza 1,1 - 5 μkat. l-1 Cholínesteráza μkat. l-1 109 109