biochemia harpera

1. BIOCHEMIA HARPERA

2. a LANGE medical book Harper's Biochemistry Twenty-second Edition Robert K. Murray, MD, PhD Professor of Biochemistry Universtty of Toronto Daryl K. Granner, MD Professor and Chairman Department of Moiecuiar Physiology and Biophysics Professor of Medicine Vanderbitt University Nashville, Tennessee Peter A. Mayes, PhD, DSc Reader in Biochemistry Roya Veterinary College University of London Victor W. Rodwell, PhD Professor of Biochemistry Purdue University West Lafayette, Indiana Prentice-Hall International Inc.

3. Robert K. Murray, Daryl K. Granner, Peter A. Mayes, Victor W. Rodwell BIOCHEMIA HARPERA Wydanie III Redaktor naukowy tumaczenia Franciszek Kokot IHhl. Medyczna CM ID 1816004318 50LAT Warszawa 1995 Wydawnictwo Lekarskie PZWL

4. Copyright for the Polish Edition by ydawnictwo Lekarskie PZWL J994, 1995 Z oryginau angielskiego Harper's Biochemistry ed. 22 Copyright 1990 by Appleton Lange Ali Rights Reserved i rozdz. 60, 64 z oryginau angielskiego Harper's Btochemistry ed. 23 Copyright 1993 by Appleton Lange Alt Rights Reserved pod red. prof. dra hab. FRANCISZKA KOKOTA Tumaczyli Doc. med. ZENON ALEKSANDROWICZ (rozdz. 1219) Prof. dr hab. MIECZYSAW CHORY (rozdz. 3542) Prof. dr hab. MARIAN DRD (rozdz. 57, 58) Prof. dr hab. ZOFIA KILASKA (rozdz. 25) Prof. dr hab. LEOKADIA KYSZEJKO-STEFANOWICZ (rozdz. 1, 6, 32, 33) Prof. dr hab. FRANCISZEK KOKOT (rozdz. 4456, 60, 62 i przedmowa) Prof. dr hab, WANDA MAGORZATA KRAJEWSK (rozdz. 7, 10, l i, 34) Prof. dr hab. EUGENIUSZ KUCHARZ (rozdz. 63) Prof, dr hab. BOHDAN LEWARTOWSKI (rozdz. 59) Prof. dr hab. ANNA LIPISKA (rozdz. 8, 9, 30, 31) Prof. dr hab. JERZY VETULANI (rozdz. 64) Prof. dr hab. TADEUSZ WILCZOK (rozdz. 43, 61) Prof. dr hab. MARIUSZ ZYDOWO (rozdz. 2029) Projekt okadki i strony tytuowej Anna Dluiewaka Redaktorzy Krystyna Chjcka, Renata Piotrowska-Siemdzka Redaktor techniczny Joanna Godowska Korektorzy Zesp 1SBN83-200-1798-X Wydawnictwo Uliatskie PZWL Warszawa ]5 Wydanie Iii Cieszyska Drukarnia Wydawnicza ul. Pokoju I, 43-400 Cieszyn Zam. nr 2543/K-94

5. PRZEDMOWA / 5 Przedmowa do wydania polskiego Do rk Czytelnika oddajemy tumaczenie 22. wydania Biochemii Harpera". W trakcie tumaczenia ukazao si wydanie 23. tej ksiki, wzbogacone o kitka nowych rozdziaw w sto- sunku do wydania 22. Dlatego te, chcc do- starczy Czytelnikom moliwie aktualnej wiedzy, postanowiono wczy do wydania 22. dwa nowe rozdziay z wydania 23. (Erytrocyty i leukocyty" oraz Podoe biochemiczne niektrych chorb neuropsychiatrycznych"), uwzgldniajc stan wiedzy z koca 1992 r. Jako redaktor naukowy, odpowiedzialny za obecne polskie wydanie ksiki, kieruj wyrazy gbokiego szacunku i podzikowania do wszystkich Wsptumaczy za trud woony w tumaczenie poszczeglnych rozdziaw. Pragn podkreli, e tumaczenie ksiki natrafiao na due trudnoci w zakresie mianownictwa biochemicznego, czsto nie ustabilizowanego nie tylko w skali naszego kraju, lecz take midzy- narodowej. Tote sdz, e warto merytorycz- na, a nie nomenklaturowa, bdzie gwnym kryterium oceny ksiki przez Czytelnikw. Pragn wyrazi nadziej, e i obecne wydanie Biochemii Harpera" nie tylko speni wymaga- nia starych" Czytelnikw tej ksiki, lecz take przysporzy jej wielu nowych Czytelnikw i przyjaci. Prof. dr hub. med. Franciszek Kokot

6. PRZEDMOWA / 7 Przedmowa Biochemia Harpera" dostarcza zwizej, cho dostatecznie szerokiej, wiedzy dotyczcej podstaw biochemii i biologii molekularnej. Za- wiera ona liczne przykady na to, e wiedza biochemiczna jest niezbdna do zrozumienia mechanizmw podtrzymujcych zdrowie oraz przyczyn i racjonalnego leczenia licznych chorb, jakimi s szczeglnie zainteresowani leka- rze i inni pracownicy opieki zdrowotnej. Zmiany dokonane w wydaniu 22. Dwa cele przywiecay autorom przygotowu- jcym obecne wydanie: 1) przedstawienie moliwie najnowszej wiedzy biochemicznej, potrzeb- nej przy studiowaniu medycyny oraz 2) dostarczenie studentom medycyny i innych nauk dotyczcych zdrowia ksiki interesujcej i lu- bianej przez uytkownika. Odzwierciedleniem tego jest ukad i tre nowego wydania. Wszystkie rozdziay zostay przeredagowane z uwzgldnieniem wanych postpw wiedzy biochemicznej. We wstpie wikszoci rozdziaw zasygnali zowano gwne problemy bdce ich treci. Zredukowano szczegowe omawianie dru- gorzdowych szlakw metabolicznych. Liczne ryciny zmodyfikowano w celu po prawienia ich czytelnoci. Wczono nowe rozdziay dotyczce Wody i pH", Witamin rozpuszczalnych w wo dzie", Witamin rozpuszczalnych w tusz czach", Utleniania kwasw tuszczowych i ketogenezy", ywienia" i Przemiany ksenobiotykw". W ostatnim rozdziale, ktry jest rwnie nowy, znajduje si zwize omwienie bio chemicznych aspektw przyczyn i mechaniz mw chorb. Na podstawie historii choroby 8 chorych zilustrowano uyteczno wiedzy biochemicznej dla medycyny. Przedstawione przypadki dotycz gwnych klas przyczyn chorobowych. Rozdzia ten, wraz z suple mentem omawiajcym testy laboratoryjne, stanowi pomost wypeniajcy dotychczaso w luk dzielc biochemi od kliniki. Ukad ksiki Tekst skada si z 3 rozdziaw wprowadzaj- cych i 6 gwnych dziaw. Dzia 1 jest powicony biakom i enzymom, bdcym komi roboczymi organizmu. Ponie- wa wikszo reakcji zachodzcych w komrkach ludzkich ma charakter enzymatyczny, jest istotne zapoznanie si z waciwociami enzymw przed omawianiem innych problemw. W dziale II przedstawiono a) rne reakcje komrkowe, w ktrych zachodzi utylizacja lub wytwarzanie nonikw energetycznych oraz b) szlaki syntezy i rozkadu wglowodanw i lipidw. Ponadto przedstawiono funkcj poszczeglnych zwizkw nalecych do wymienionych klas czsteczek. W dziale III omwiono poszczeglne aminokwasy i ich losy oraz przemiany tych zwizkw przebiegajce ze zuytkowaniem lub wytwarza- niem energii. W dziale IV przedstawiono struktur i funkcj kwasw nukleinowych oraz szlak DNA-tRNA->biaka. W tej czci opisano rwnie zasady technologii rekombinacji DNA, tj. zagadnienie o niezwykych implikacjach w dyscyplinach biomedycznych. Treci dziau V s hormony i ich kluczowa rola w komunikacji midzykomrkowej i regulacji poszczeglnych szlakw metabolicznych. Po to, aby hormony mogy zadziaa na komr- k, musz mie kontakt z bonami komr- kowymi. Nic wic dziwnego, e pocztek tego dziau jest powicony strukturze i funkcjom bon. Dzia VI skada si z 7 specjalnych rozdziaw, w tym nowego rozdziau omawiajce- go przemian ksenobiotykw i biochemiczne aspekty niektrych chorb. W suplemencie podano zwiz interpretacj wynikw bada laboratoryjnych i gwne ich implikacje diagnostyczne.

7. 8 / PRZEDMOWA Podzikowanie Autorzy czuj si szczeglnie usatysfakcjono- Autorzy pragn wyrazi podzikowanie Pa- wam szerok akceptacj i poparciem ksiki nu Aleksandrowi Kugushewowi; wiele zmian w ca^m wiecie. Przedruki licznych wyda dokonanych w tym wydaniu nie mogoby by opublikowanych w jzyku angielskim ukazay zrealizowanych bez Jego staego zainteresowa- sie w Japonii, Libanie, na Tajwanie, Filipinach nia, rady, popychania sprawy" i zachcania. oraz w Korei. Ponadto ksik przetumaczono Nasza wdziczno naley si rwnie na- na jzy^ woski, hiszpaski, francuski, portu- szym zawodowym Kolegom i Przyjacioom galski, japoski, polski, niemiecki, serbsko-cho- z caego wiata za przekazane sugestie, majce rwacki i grecki, na celu poprawienie ksiki. Zachcamy ich, aby w dalszym cigu wykazali zainteresowanie _ RKM ksik i nie szczdzili wysiku w jej ulepszaniu. _ DKG Za szczeglnie cenne uwaamy opinie wyraone _ PAM przez studentw. , _ VWR

8. SPIS TRECI / 9 Spis treci 1. Biochemia i medycyna Robert K. Murray ........................................................... 11 2. Biomolekuy i metody biochemiczne Robert K. Murray .................................... 16 3. Woda i pH Victor W. Rodwell .............................................................................. 26 Cz I. Budowa oraz funkcje biaek i enzymw ................................... 35 4. Aminokwasy Victor W. Rodwell ........................................................................... 35 5. Peptydy Victor W. Rodwell ................................................................................. 49 6. Biaka: struktura i waciwoci Victor W. Rodwell ............................................ 59 7. Biaka; mioglobina i hemoglobina Vtctor W. Rodwell ...................................... 70 8. Enzymy: waciwoci oglne Victor W. Rodwell ............................................... 82 9. Enzymy: kinetyka Victor W. Rodwell ................................................................... 94 10. Enzymy: mechanizmy dziaania Victor W. Rodwell ............................................ 110 11. Enzymy: regulacja aktywacji Victor W. Rodwell ............................................... 118 Cz II. Bioenergetyka i metabolizm wglowodanw oraz lipid w 131 12. Bioenergetyka Peter A. Mayes ........................................................................... 131 13. Utlenianie biologiczne Peter A. Mayes ................................................................ 139 14._ Fosforylacja oksydacyjna i mitochondrialne systemy transportujce Peter A. Mayes ............................................................................ 147 15. Wglowodany o znaczeniu fizjologicznym Peter A. Mayes .............................. 161 16. Lipidy o znaczeniu fizjologicznym Peter A. Mayes ............................................ 173 17. Zarys przemian porednich Peter A. Mayes ........................................................ 188 18. Cykl kwasu cytrynowego. Katabolizm acetylo-CoA Peter A. Mayes ............... 198 y 19. Glikoliza i utlenianie pirogronianu Peter A. Mayes ........................................... 207 20. Metabolizm glikogenu Peter A. Mayes ................................................................ 217 v 21. Glukoneogeneza i kontrola stenia glukozy we krwi Peter A. Mayes ............ 226 22. Szlak pentozofosforanowy oraz inne szlaki przemiany heksoz Peter A. Mayes 239 23. Biosynteza kwasw tuszczowych Peter A. Mayes ............................................. 251 24. Utlenianie kwasw tuszczowych: ketogeneza Peter A. Mayes ........................ 260 25. Metabolizm nienasyconych kwasw tuszczowych i eikozanoidw Peter A. Mayes ............................................................................................................................. 274 26. Metabolizm acylogliceroli i sfingolipidw Peter A. Mayes ............................. 284 27. Transport i magazynowanie lipidw Peter A. Mayes ......................................... 294 28. Synteza, transport i wydalanie cholesterolu Peter A. Mayes ........................... 314 29. Integracja metabolizmu i dostarczanie substratw energetycznych do tkanek Peter A. Mayes .................................................................................................. 329 Cz III. Metabolizm biaek i aminokwa sw ......................................... 337 30. Biosynteza aminokwasw, ktre nie musz by dostarczane w poywieniu Victor W. Rodwell ......................................................................... 337 31. Katabolizm biaek i azotu aminokwasw Victor W. Rodwell ........................... 344 32. Katabolizm szkieletw wglowych aminokwasw Victor W. Rodwell ............. 357

9. 10 / SPIS TRECI 33. Przemiana aminokwasw w wyspecjalizowane produkty Victor W. Rodwell . 385 34. Porfiryny i barwniki ciowe Robert K. Murray ............................................... 398 Cz IV. Budowa, czynno i replikacja makroczsteczek informacyjnych ................................................................... 415 35. Nukleotydy Victor W. Rodweil ............................................................................ 415 36. Metabolizm nukleotydw purynowych i pi rym idy nowych Victor W. RoJwell . 425 37. Struktura i funkcja kwasw nukleinowych Dary! K. Granner .......................... 443 38. Organizacja i replika DNA Dary/ K. Granner ........................................................ 456 39. Synteza, przeksztacenie i metabolizm RNA Dary/ K. Granner ........................ 476 40. Synteza biaek i kod genetyczny Dary/ K. Granner ............................................ 491 41. Regulacja ekspresji genu Dary/ K. Granner ........................................................ 508 42. Technologia rekombinacji DNA Dary/ K. Granner ............................................ 529 C z V. Bi oc he mi a ze wn trz k o mr k owe j i we w n tr z k o m r k o we j k o mu ni k a c j i ........................................................... 549 43. Bony: struktura, organizacja i funkcja Dary/ K. Granner .................................... 549 44. Charakterystyka ukadw hormonalnych Dary I K. Granner ............................. 573 45. Dziaanie hormonw Dary! K. Granner ................................................................ 584 46. Przysadka mzgowa i hormony podwzgrza Dary/ K. Granner ......................... 599 47. Hormony tarczycy Dary/ K. Granner .................................................................. 612 48. Hormony regulujce przemian wapniow Dary/ K. Granner ........................... 619 49. Hormony kory nadnerczy Dary/ K. Granner ........................................................ 629 50. Hormony rdzenia nadnerczy Dary! K. Granner .................................................. 645 51. Hormony gonadalne Dary I K. Granner ................................................................ 652 52. Hormony trzustki i odkowo-jelitowe Dary/ K. Granner ................................. 671 C z VI . Za ga d ni e ni a w ybr a ne ............................................................................ 693 53. Struktura i funkcja witamin rozpuszczalnych w wodzie Peter A. Mayes . . . 693 54. Struktura i funkcja witamin rozpuszczalnych w tuszczach Peter A. Mayes . . 710 55. ywienie Peter A. Mayes ...................................................................................... 721 56. Trawienie i wchanianie Peter A. Mayes ............................................................. 734 57. Glikoproteiny i proteoglikany Robert K. Murray ............................................... 749 58. Biaka osocza, immunoglobitliny i czynniki krzepnicia Elizabeth J. Harfenist Robert K. Murray ............................................................. 770 59. Biaka kurczliwe i strukturalne Victor W. Rodwell, Robert K. Murray, Frederick W. Keetey ................................................................... 794 60. Metabolizm ksenobiotykw Robert K. Murray ................................................. 817 61. Rak, onkogeny i czynniki wzrostowe Robert K. Murray .................................... 824 62. Biochemia a choroby Robert K. Murray ............................................................. 842 63. Erytrocyty i leukocyty Robert K. Murray .............................................................. 865 64. Podoe biochemiczne niektrych schorze neuropsychiatrycznych Robert K. Murray ................................................................................................... 887 Dodatek ................................................................................................................................ 910 Skrty spotykane w biochemii ......................................................................................... 930 Skorowidz .........................................................................................................................'. 935

10. Biochemia i medycyna Robert K. Murray, MD, PhD WPROWADZENIE Biochemia jest to nauka zajmujca si rno- rodnymi molekuami i zwizanymi z nimi reakcjami chemicznymi, ktre zachodz w ywych komrkach i organizmach. Kada informacja wykraczajca poza skrajnie powierzchown wiedz o yciu we wszystkich jego zr- nicowanych przejawach wymaga poznania biochemii. Co wicej, studenci medycyny, zdo- bywajc solidn porcj wiedzy z zakresu biochemii, bd w stanie skonfrontowa zarwno w praktyce, jak i w pracy badawczej 2 podstawowe problemy wszystkich nauk medycz- nych: 1) zrozumienie, jak zachowa zdrowie oraz 2) zrozumienie istoty chorb i ich skuteczne leczenie. Biochemia to chemia ycia Biochemi mona, bardziej konwencjonalnie, zdefiniowa jako nauk dotyczc chemicznych podstaw ycia (gr. bios ycie). Komrka jest strukturaln jednostk organizmu ywego. Rozwaenie tej koncepcji prowadzi do funkcjonalnej definicji biochemii, jako nauki zajmujcej si chemicznymi skadnikami ywych komrek oraz reakcjami i procesami, ktrym one ulegaj. Zgodnie z ni biochemia obejmuje przepastne obszary biologii komrki i cao biologii molekularnej. Zadaniem biochemii jest opisanie i wyjanienie na poziomie molekularnym wszystkich procesw chemicznych zachodzcych w ywych komrkach Gwnym celem biochemii jest dogbne po- znanie na poziomie molekularnym wszystkich procesw chemicznych zwizanych z yciem komrki. Aby wypeni to zadanie, biochemicy usiuj wyizolowa liczne molekuy znajdujce si w komrkach, okreli ich struktur i zanali- zowa, jak funkcjonuj. Przykadem takich dzia- a s prby zrozumienia molekularnych podstaw skurczu procesu zwizanego przede wszystkim, ale nie wycznie, z komrkami miniowymi, co wymaga oczyszczenia wielu czsteczek zarwno prostych, jak i zoonych, a nastpnie poddania ich szczegowym bada- niom strukturalno-funkcjonalnym. Dziki tym wysikom ustalono niektre cechy molekularnych podstaw skurczu mini. Kolejnym zadaniem biochemii jest usiowa- nie docieczenia, jak powstao ycie. Wiedza na ten fascynujcy temat pozostaje nadal w powi- jakach. Zasig biochemii jest tak niezmierzony, jak samo ycie. Gdziekolwiek to ycie si pojawia, tam zachodz procesy chemiczne. Biochemicy badaj je w mikroorganizmach, rolinach, owa- dach, rybach, ptakach, u niszych i wyszych ssakw oraz u ludzi. Studenci nauk biomedycznych bd zainteresowani zwaszcza biochemi 2 ostatnich grup. Naley jednak doceni rwnie biochemi mniej skomplikowanych form ycia, czsto bezporednio zwizan z biochemi czowieka. Ma przykad wspczesne teorie regulacji aktywnoci genw i enzymw u ludzi emanuj z pionierskich bada dotyczcych dro- dy piekarskich i bakterii. Dziedzina rekombinacji DNA wyonia si z dowiadcze na bakteriach i ich wirusach. Szybko namnaania si (multyplikacji) i atwo wyekstrahowania ich materiau genetycznego czyni je odpowied- nimi dla genetycznych analiz i manipulacji. Wie- dza zdobyta z badania genw wirusw odpowiedzialnych za niektre typy raka u zwierzt (wirusowych onkogenw) zapewnia gruntowny wgld, w jaki sposb komrki ludzkie staj si nowotworw ymi.

11. 12 / ROZDZIA 1 Znajomo biochemii jest istotna dla wszystkich nauk przyrodniczych, z medycyn wcznie Biochemia kwasw nukleinowych ley w ser- cu genetyki; z kolei zastosowanie metod genetycznych staio si kluczowe do wyjanienia wielu dziedzin biochemii. Fizjologia, badajca funk- cjonowanie organizmu, niemal kompletnie po- krywa si z biochemi. Immunologia posuguje si licznymi technikami biochemicznymi, a wiele podej immunologicznych znalazo S2erokie zastosowanie w biochemii. Farmakologia i far- macja opieraj si na rzetelnej znajomoci biochemii i fizjologii, zwaszcza e wikszo lekw jest metabolizowana w reakcjach katalizo- wanych enzymatycznie, a skomplikowane in- terakcje pomidzy lekami najlepiej zrozumie za pomoc biochemii. Trucizny oddziauj na reakcje i procesy biochemiczne i to jest domen toksykologii. Biochemiczne podejcie znajduje coraz wicej zastosowania w badaniu podstawowych aspektw patologii (nauki o chorobach), np. stany zapalne, uszkodzenia komrek 1nowotwory. Wiehi przedstawicieli mikrobiolo gii, zoologii i botaniki posuguje si niemal wycznie metodami biochemicznymi. Te po wizania nie s zaskoczeniem, poniewa ycie, jak wiadomo, polega na reakcjach i procesach biochemicznych. Istotnie, dawne bariery mi dzy naukami przyrodniczymi padaj, a bio chemia coraz bardziej staje si ich wsplnym jzykiem. Wzajemne oddziaywanie midzy biochemi a medycyn pobudza stay postp w obu tych dziedzinach Jak wspomniano na pocztku tego rozdziau, 2gwne problemy pracownikw nauk medycz nych, a zwaszcza lekarzy, to: 1) zrozumienie, jak zachowa zdrowie oraz 2) zrozumienie istoty chorb i ich skuteczne leczenie. Biochemia zapisaa si na trwae w obu tych fundamentalnych zagadnieniach medycyny. Fak- tycznie wzajemne oddziaywanie biochemii i medycyny to tak, jak szeroka dwukierunkowa ulica. Analizy biochemiczne wyjaniy wiele aspektw z dziedziny zdrowia oraz choroby i odwrotnie, badanie rnych przejaww zdrowia i choroby otwiera coraz to nowe obszary przed biochemi. Wzajemna wsppraca medycyny i biochemii ma wane implikacje filozoficzne dla tej pierwszej. Jak dugo postpowanie lekarskie bdzie mocno zakorzenione w gruntownej znajomoci biochemii oraz innych pokrewnych nauk podstawowych (np. fizjologii, mikrobiologii, ywienia), tak dugo medycyna praktyczna bdzie miaa racjonaln podstaw do zastosowania coraz to nowych osigni wiedzy. Kontrastuje to jaskrawo z kultem niekonwencjonalnej medycyny, ktra czsto opiera si na niczym wicej ni na micie, pobonych yczeniach i braku bazy intelektualnej. PRAWIDOWE PROCESY BIOCHEMICZNE S PODSTAW ZDROWIA wiatowa Organizacja Zdrowia (WHO) defi- niuje zdrowie jako stan w peni dobrego samo- poczucia fizycznego, umysowego i socjalnego, a nie tylko jako brak choroby lub zniedo-nienia. Z czysto biochemicznego punktu widzenia zdrowie moe by rozwaane jako sytuacja, ktrej wszystkie z wielu tysicy reakcji wewntrz- i zewntrz komrkowych, zachodzcych w organizmie, przebiegaj z szybkoci adekwatn do jego maksymalnego przetrwania wstanie fizjologicznym. Badania biochemikw znajduj oddwik w odywianiu i medycynie prewencyjnej Gwnym warunkiem zachowania zdrowia jest pobieranie w poywieniu optymalnej iloci zwizkw chemicznych; gwnymi z nich s witaminy, niektre aminokwasy, pewne kwasy tuszczowe, rne substancje mineralne i woda. Wiele zagadnie z biochemii oraz ywienia dotyczy badania rnych aspektw tych wanie zwizkw chemicznych, wobec czego wsp- dziaanie obu wymienionych dyscyplin jest bardzo cise. Ponadto, ze wzgldu na denie do obnienia rosncych kosztw opieki lekarskiej, najprawdopodobniej wikszy nacisk zostanie pooony na systematyczne dziaania w celu zachowania zdrowia i zapobiegania chorobom, tj. na medycyn prewencyjn. Zatem podejcie ywieniowe do przeciwdziaania np. miadycy ttnic i nowotworom prawdopodobnie uzyska rosnce poparcie. Zrozumienie znaczenia odywiania zaley jednak w rozlegym zakresie od znajomoci biochemii.

12. BIOCHEMIA i MEDYCYNA / 13 Kada choroba ma biochemiczne uzasadnienie Wszystkie choroby s manifestacj zaburze w czsteczkach, reakcjach chemicznych i procesach. Gwne czynniki odpowiedzialne za powstawanie chorb u ludzi i zwierzt s wymienione w tab. l-l. Wszystkie one mog wpyn na jedn lub wicej zmian chorobotwrczych w reakcjach chemicznych lub molekuach organizmu. Tabela 1 -1. Gwne przyczyny chorb, wpywaj- ce na rnorodne mechanizmy biochemiczne w ko- mrce lub organizmie* 1. Czynniki fizyczne: urazy mechaniczne, eks tremalne temperatury, nagle zmiany cinienia atmosferycznego, promieniowanie, szok elekt ryczny 2. Czynniki chemiczna i leki: pewne zwizki toksyczne, rodki terapeutyczne itp. 3. Czynniki biologiczne: wirusy, riketsje, bak terie, grzyby, wysze formy pasoytw 4. Brak tlenu: niedokrwienie, zmniejszenie poje mnoci tlenowej krwi, zatrucie enzymw ok sydacyjnych 5. Genetyczna: wrodzone, molekularne 6. Reakcje immunologiczne: anafilaksja. cho roba autoimmunologiczna 7. Zaburzania w odyw ianiu: niedobory i nad miary 8. Zachwiania rwnowagi wewntrzwy- dzielniczej: niedobory i nadmiary hormonw * Zaadaptowano za zgod z: Robbins SL, Cot-ram RS, KumarV: The Pathologic Bas/s of D/sease, wyd. 3, Saunders, 1984. Badania biochemiczne pomagaj w diagnozie, prognozie i leczeniu Istnieje bogata dokumentacja potwierdzajca zastosowanie biochemii w zapobieganiu chorobom, diagnozie i leczeniu chorb. Wiele do- wodw na to mona znale w kolejnych rozdziaach tej ksiki. Jednake na tym etapie, w celu zilustrowania ogromu przedmiotu i zainteresowania nim Czytelnika, wydaje si niezbdne podanie 7 krtkich przykadw. 1. Czowiek musi pobra pewn liczb zoonych czsteczek organicznych, zwanych witami- nami, aby utrzyma zdrowie. Witaminy s, oglnie rzecz biorc, zamieniane w organizmie na bardziej kompleksowe czsteczki (koenzy- my), ktre odgrywaj kluczow rol w wielu reakcjach komrkowych. Brak ktrej z witamin w poywieniu znajduje oddwik w spowo- dowanej tym faktem chorobie, takiej jak gnilec lub krzywica (wynikej odpowiednio z niedoboru witaminy C lub D). Wyjanienie kluczowej roli witamin, lub te ich aktywnych biologicznie pochodnych w komrkach zwierzcych i ludzkich jest gwnym wsplnym problemem biochemikw i dietetykw od przeomu naszego stulecia. Gdy tylko ustalono, e dana choroba jest wywoywana brakiem jakiej witaminy, wwczas stao si racjonalne jej leczenie poda- waniem brakujcej witaminy. 2. Fakt, i wiele rolin- afrykaskich jest pozbawionych jednego lub kilku istotnych, czyli niezbdnych, aminokwasw, ktre musz by dostarczone z zewntrz w celu utrzymania zdro wia, pomg wytumaczy wyniszczajce nie doywienie biakowo-energetyczne (kwashior- kor), bdce chorob tych, dta ktrych owe roliny stanowi gwne rdo biaka. Leczenie niedoboru istotnych aminokwasw jest tu roz sdn konsekwencj, ale, niestety, nie zawsze moliw do przeprowadzenia. Polega ono na zapewnieniu wywaonej diety, zawierajcej od powiednie iloci wszystkich niezbdnych ami nokwasw. 3. Grenlandzcy Eskimosi (ang. Inuit) spoy waj due iloci oleju rybnego bogatego w nie ktre wieoRienasycone kwasy tuszczowe (ang. polyunsaturated fatty acids; skrt PUFA). Badania wykazay, e odznaczaj si oni maym steniem cholesterolu w osoczu i rzadk za chorowalnoci na miadyc ttnic. Te obser wacje wywoay ywe zainteresowanie moliwo ci stosowania PUFA w celu zmniejszenia stenia cholesterolu. Zarwno choroby wywoane brakiem witamin, jak i te spowodowane niedoborem istotnych aminokwasw, to przykady zaburze odywiania (p. tab. 1-1). Miadyca ttnic moe by uwaana za przykad zaburzenia spowo- dowanego nieprawidowym odywianiem, ale wi si z ni take inne, np. genetyczne, czynniki. 4. Stan znany jako fenyloketonuria (ang. phenylketonuria; skrt PKU) nie leczony prowadzi do cikich zaburze umysowych ju w dziecistwie. Podstawa biochemiczna PKU jest znana od ponad 30. lat. Jest to zaburzenie uwarunkowane genetycznie (tab. 1-1), spowo-

13. 14 / ROZDZIALI dowane brakiem lub ma aktywnoci enzymu, ktry przeksztaca fenyloalanin w tyrozy- n. W konsekwencji niedoboru enzymu, fenylo-alanina i niektre jej metabolity, takie jak fenyloketony, gromadz si w tkankach i niszcz rozwijajcy si orodkowy ukad nerwowy. Odkd udowodniono natur biochemicznego zaburzenia w PKU, kolejnym logicznym krokiem stao si leczenie dzieci z fenyloketonu-ri diet o maej zawartoci fenyloalaniny. Gdy tylko masowe testy biochemiczne na rozpoznanie PKU zaraz po urodzeniu okazay si moliwe do przeprowadzenia, wwczas stao si realne skuteczne leczenie tej wady metabolicznej. 5. Mukowiscydoza (ac. fibrosis cystica) jest to znana choroba gruczow wydzielania ze wntrznego i gruczow potowych, uwarunko wana genetycznie (p. tab. 1-1), Charakteryzuje j nienaturalnie lepka wydzielina, ktra zatyka przewody wydzielnicze trzustki i oskrzeliki. Chorzy na mukowiscydoz maj take zwik szone iloci chlorkw w pocie. Ofiary tej choro by czsto umieraj w modym wieku na zakae nie puc. Bardzo niedawno (1989 r.) wyizolowa no i zsekwencjonowano gen zwizany z t chorob. Prawidowy gen koduje acuch 1480 aminokwasw biaka transbonowego, ktre wydaje si by kanaem dla chlorkw lub, prawdopodobnie, jakim regulatorem takiego kanau. Nieprawidowoci u prawie 70% cho rych na mukowiscydoz wydaje si by delecja 3 nukleotydw w DNA, co powoduje brak w tym transmembranowym biaku aminokwasu w pozycji 508, tj. reszty fenyloalaniny. W ja ki sposb ta delecja uszkadza czynno owego transbonowego biaka i powoduje gs ty luz, czeka Jeszcze na opracowanie. To wane zadanie powinno Uatwi odnalezie nie nonikw genu fibrosis cystica i spowo dowa racj onalniej sze leczenie ni obecne. Prawdopodobnie moliwe byoby przygoto wanie leku, ktry korygowaby zaburzenie w biaku transbonowym, a take nie jest wy kluczone, e mona by wprowadza prawid owy gen do komrek puc w wyniku leczenia genetycznego. 6. Analiza mechanizmu dziaania toksyny bakteryjnej, powodujcej choler, dostarczya wanego czynnika do zrozumienia przyczyny klinicznych objaww tej choroby (obfita bie gunka, utrata elektrolitw i wody z organizmu). 7. Odkrycie, i komary przenoszce zarodce (plazmodia) powodujce zimnic s w stanie wytworzy w sobie barier ochronn o podou biochemicznym na dziaanie rodkw owado- bjczych, ma wane implikacje w prbach wye- liminowania tej choroby. Ten przykad i po- przednie reprezentuj choroby powodowane przez czynniki biologiczne (p, tab. 1-1), Wiele analiz biochemicznych nawietla mechanizmy chorb, ktre z kolei inspiruj badania w okrelonych dziaach biochemii Wstpne obserwacje, poczynione w poczt- kach naszego stulecia przez angielskiego lekarza Archibalda Garroda na maej grupie wrodzo- nych wad metabolicznych, wzbudziy poszuki- wanie biochemicznych przyczyn tego stanu. Badania dotyczce genezy przyczyn choroby uwarunkowanej genetycznie, znanej jako hiper-cholesterolemia rodzinna, bdcej przyczyn zaawansowanej miadycy ttnic w modym wieku, umoliwiy radykalny postp w dziedzinie receptorw komrkowych i mechanizmw przyswajania cholesterolu przez komrki. Prace z zakresu onkogenw w komrkach rakowych zwrciy uwag na mechanizmy molekularne zwizane z kontrolowaniem prawidowego wzrostu komrkowego. Te i wiele innych przykadw ilustruje, jak obserwacje poczynione w klinice mog otworzy szerokie obszary funk- cjonowania komrek dla bada biochemicznych. TA KSIKA POMOE POWIZA WIEDZ Z ZAKRESU BIOCHEMII Z PROBLEMAMI KLINICZNYMI Kocowy rozdzia podsumowuje wiele koncepcji, pojawiajcych si w tekcie, dotyczcych powizania biochemii z patologi. Przykadami s tutaj take mechanizmy biochemiczne dziaa- jce w poszczeglnych chorobach, ktre powoduje kada z 8 przyczyn wymienionych w tab. 1-1. W suplemencie omwiono rwnie podstawowe rozwaania stosowane podczas inter- pretacji wynikw biochemicznych testw laboratoryjnych wykonywanych rutynowo w praktyce klinicznej. Gwnym celem tych stara jest pomoc i zachta dla Czytelnika, aby umia przetransponowa wiedz z zakresu biochemii w swoj dziaalno kliniczn. Wykorzystanie bada biochemicznych w odniesieniu do chorb mona podsumowa w 5 punktach.

14. BIOCHEMIA I MEDYCYNA / 16 Takie badania mog: 1) odkry przyczyny choroby, 2) zaproponowa racjonalne i skuteczne jej leczenie, 3) umoliwi masowe testy do wczesnej diag nozy, 4) uatwi monitorowanie postpwchoroby, 5) uatwi ocen skutku leczniczego. Suplement do tej ksiki opisuje najwaniej- sze rutynowe biochemiczne testy diagnostyczne, uywane do wykrywania chorb (tzn. do celw okrelonych w pkt. 3, 4 i 5). Posuy on za poyteczne rdo informacji przy omawianiu biochemicznej diagnostyki chorb (np. zawau serca, ostrego zapalenia trzustki).

15. 2 Biomolekuy i metody biochemiczne Robert K. Murray, MD, PhD WPROWADZENIE Celem niniejszego rozdziau jest przedstawienie 5 zagadnie istotnych dla zrozumienia biochemii oraz wskazania gwnych kierunkw pomagajcych w przyswojeniu wiedzy niniejszego podrcznika. Omwiono wic zwile kolejno: 1. Skad chemiczny organizmu i podstawowe klasy czsteczek w nim wystpujcych. 2. Budow struktur komrkowych i sposobu ich wydzielania. 3. Wag rozwiza dowiadczalnych i wa ciwego dobom metod stosowanych w biochemii. 4. Gwne osignicia w biochemii oraz 5. Sabo rozwinite dziay biochemii dotycz ce m.in. rozwoju, rnicowania, funkcji mzgu, nowotworw i innych chorb czowieka. Wobec powyszego by moe stan si one dla niektrych Czytelnikw motorem przysze- go ich udziau w badaniach nad tymi problemami. ORGANIZM LUDZKI SKADA SI Z KILKU PIERWIASTKW, KTRE TWORZ RNE CZSTECZKI Gwne pierwiastki to: wgiel (C), wodr

16. BIOMOLEKUY I METODY BIOCHEMICZNE / 17 budulcowe DNA i RNA (oglnie znane jako kwasy nukleinowe) to odpowiednio deoksyry-bonukleotydy i rybonukleotydy, natomiast budujce biaka to aminokwasy. Polisacharydy s zbudowane z prostych wglowodanw: w przypadku gfikogenu (gwnego polisacharydu wystpujcego w tkankach ludzkich) cegiek budulcow jest glukoza. Kwasy tuszczowe mog by uwaane za jednostki budulcowe lipidw, chocia lipidy nie s polimerami kwasw tuszczowych. DNA, RNA, biaka i polisacharydy zalicza si do hiopolimerw, poniewa skadaj si z powtarzajcych si cegieek budulcowych (monomerw). Te zoone czsteczki stanowi istotne tworzywo ycia". Wikszo przed- stawionego tekstu bdzie wiec zwizana z opi- sem rnych biochemicznych waciwoci tych biopolimerw i monomerw. Takie same zoone czsteczki znaleziono rwnie wrd niszych organizmw, chocia cegieki budulcowe w niektrych przypadkach mog si rni od tych przedstawionych w tab. 2-2, np. bakterie nie maj glikogenu i triacylogliceroli, ale maj one inne poiisacharydy i lipidy. Biaka, tuszcze, wglowodany, woda i skadniki mineralne stanowi gwne komponenty organizmu ludzkiego Skad chemiczny organizmu ludzkiego przedstawiono w tab. 2-3. Gwne jego komponenty to: biaka, tuszcze, wglowodany, woda i skadniki mineralne. Woda stanowi gwny skadnik, cho jej ilo waha si w szerokim zakresie wrd rnych tkanek. Polarny charakter i zdolno tworzenia wiza wodorowych czyni wo- d idealnym rozpuszczalnikiem w organizmie. Szczegowe znaczenie waciwoci wody zostanie przedstawione w rozdz. 3. Tabela 2-3. Prawidowy skad chemiczny czowieka o masie ciaa 65 kg* Kilogramy Procent Biaka 11 17,0 Tuszcze 9 13,8 Wglowodany 1 1,5 Woda** 40 61,6 Skadniki mineralne 4 6,1 Tabela 2-2. Gwne zoone biomolekuy organiczne komrek i tkanek. Kwasy nukleinowe, biaka i polisacharydy s biopolimerami zbudowanymi z poniej przedstawionych jednostek budulcowych. Lipidw oglnie nie zalicza si do biopolimerw i nie wszystkie lipidy zawieraj kwasy tuszczowe jako jednostki budulcowe Blomolekula Jednostka budulcowa Podstawowe funkcje DNA Deoksyry bo- Materia genetyczny nukleotyd RNA Rybonukle- Matryca w biosyntezie otyd biaek Biako Aminokwasy Rnorodno penio- nych funkcji w komrkach (np, enzymy, elementy kurczliwe) Polisacha- Glukoza Krtkotrwae magazy- rydy nowanie energii w po- (glikogen) staci glukozy Lipidy Kwasy tu- Rnorodne, np. ska- szczowe dniki bon komrkowych, dugotrwae magazynowanie energii w postaci triacylogliceroli 2 Biochemia * Cytowane za zgod z: Davidson SD, Pas-smore R, Brock JF: Human Nutrition and Dietetics, wyd. 5, Churchill Livingstone, 1973. ** Zawarto wody moe rni si midzy rnymi tkankami, wystpujc w maej iloci (22,5%) w kociach bezszpikowych, Zawarto procentowa wody wykazuje tendencje zmniejsza- nia, gdy zwiksza si odsetek lipidw w organizmie. KOMRKA PODSTAWOW JEDNOSTK YCIA W XIX w. w badaniach Schleidena i Schwan-na oraz innych pionierw, takich jak Virchow uznano komrk za podstawow jednostk aktywnoci biologicznej. Jednake dopiero bezporednio po II wojnie wiatowej 3 wydarzenia zapocztkoway okres nierwnomiernego rozwoju w biochemii i biologii komrki. Byy to: 1) zwikszajca si dostpno mikroskopu elektronowego, 2) wprowadzenie metod pozwalajcych rozbija komrki, w warunkach wzgldnie agodnych, zapewniajcych ich funkcje, oraz 3) zwikszajca si dostpno wysokoobrotowej ultra wirwki z chodzeniem, zapewniajcej wy- tworzenie siy odrodkowej wystarczajcej do

17. 18 / ROZDZIA 2 rozdzielenia rozbitych komrek, bez ich prze- grzewania. Zastosowanie mikroskopu elektronowego ujawnio wiele nie znanych wczeniej lub sabo widocznych skadnikw komrkowych, ktrych rozbicie i ultrawirowanie po- zwolio na ich wydzielenie i analiz in vitro, Hepatocyt szczura modelowa komrka eukariotyczna Schemat strukturalny komrki wtroby {he-patocytu) szczura przedstawiono na ryc. 2-1. Hepatocyt jest prawdopodobnie najczciej badan komrk ze wszystkich komTek pod wzgldem biochemicznym, czciowo z powodu atwej jej dostpnoci w stosunkowo duych ilociach odpowiednich do frakcjonowania i badania rnorodnoci jej funkcji. Hepatocyt zawiera gwne organelle wystpujce w komrkach eukariotycznych (tab. 2-4). S to: jdro komrkowe, mitochondria, siateczka rdplaz-matyczna, wolne rybosomy, aparat Golgiego, lizosomy, peroksysomy, bona komrkowa i niektre elementy cyt o szkieletu. Do rozbicia komrek i wydzielania organelli i wewntrzkomrkowych czsteczek stosuje si techniki fizyczne W celu zbadania funkcji dowolnej organelli naley, w pierwszej kolejnoci, wydzieli j we wzgldnie czystej formie, wolnej od wikszych zanieczyszcze innymi elementami struktural- nymi komrki. Utarty sposb, ktry pozwala to osign, nazywa si frakcjonowaniem subko-mrkowym i oglnie wymaga 3 operacji, tj. ekstrakcji, homogenizacji i wirowania. Wikszo pionierskich bada w tym zakresie wykonano wykorzystujc wtrob szczura. Ekstrakcja. Pierwszy etap w kierunku izolowania okrelonej organelli (czy czsteczek) stanowi jej ekstrakcja z komrek, w ktrych si znajduje. W wikszoci organelle i biomolekuy s nietrwae i trac biologiczn aktywno; musz wic by ekslrahowane w warunkach agodnych (np. stosowanie roztworw wodnych i pozbawionych ekstremalnych wartoci pH, cinienia osmotycznego i wysokich temperatur). Rzeczywicie, wikszo metod izolowania organelli wykorzystuje temp. 0 4C (tj. w cho- dni lub utrzymywanie badanego materiau w pojemnikach z lodem). Znaczna utrata aktywnoci moe mie miejsce w temperaturze pokojowej, czciowo wskutek dziaania r- nych enzymw trawiennych (proteaz, mikleaz, itd.), uwolnionych podczas rozbijania kom- Cytozol Ryc. 2-1. Schemat komrki wtroby szczura z jej gwnymi organellami. rek. Oglnie stosowany roztwr do ekstrakcji organelli komrkowych zawiera 0,25 mol/l sacharozy (izotonicznej), doprowadzonej do pH 7,4 za pomoc 0,05 mol/l buforu Tris (trishyd-roksymetyloaminometan) kwas solny i jony K+ i Mg2+ o steniu zblionym do wartoci fizjologicznych; ten roztwr jest nazywany umownie STKM. Nie wszystkie roztwory stosowane do ekstrakcji s tak agodne jak STKM; np. rozpuszczalniki organiczne wykorzystywane do ekstrakcji lipidw i kwasw nukleinowych. Homogenizacja. Aby wyekstrahowa organelle (lub bioczsteczk) z komrek, najpierw naley rozbi komrki w agodnych warunkach. Narzdy (np. wtroba, nerka, mzg) i zawarte w nich komrki mog by rozbite w sposb standardowy przez homogenizacj, podczas ktrej napdzany rcznie lub mechani- 3 i steczka Srdplazmatyczna Rybosom Aparat Golgiego Bona cytoplazmatyczna Lizosom

18. BIOMOLEKUY I METODY BIOCHEMICZNE / 19 Tabea 2-4. Gwne organelle wewntrzkomrkowe i ich czynnoci W zestawieniu podano tylko podstawowe funkcje zwizane z kad z tych struktur. W wielu przypadkach w organellach moe przebiega kilka szlakw metabolicznych, procesw czy reakcji Organella lub frakcja* Znacznik (Marker) Gwne czynnoci Jdro komrkowe DNA Miejsce chromosomw Miejsce syntezy RNA zalenej od DNA (transkrypcja) Mitochondrium Dehydrogenaza bursztynianowa Cykl kwasu cytrynowego, oksydacyjna fosforyiacja Rybosom* Dua zawarto RNA Miejsce biosyntezy biaek (translacja mRNA w biatka) Siateczka rd-piazmatyczn a GI u kozo - 6 -fosfataza Rybosomy zwizane z bonami s gwnym miejscem biosyntezy biaek Biosynteza rnych lipidw Utlenianie wielu ksenobiotykw (cytochrom P-450) Uzosom Fosfataza kwana Miejsce licznych hydrolaz (enzymw katalizujcych reakcje degradacyjne) Bona cytoplaz-matyczn a Na+ /K + -ATPaza, 5'-nukleotydaza Transport czsteczek do i z komrek Wewntrzkomrkowa adhezja i wymiana Aparat Golgiego Galaktozylo-tr ansferaza Wewntrzkomrkowy rozdzia biaek Reakcje glikozylacji Reakcje powstawania siarczanw Peroksysom Katalaza Oksydaza moczanowa Degradacja niektrych kwasw tuszczowych Wytwarzanie i degradacja nadtlenku wodoru Cytoszkielet* Brak swoistych znacznikw** Mikrof i lamenty, mikrotubule; filamenty porednie Cytozol* Dehydrogenaza mlecza nowa Enzymy glikoltzy, syntezy kwasw tuszczowych * Orga nel la sta nowi wewntrzkomrkow substruktur otoczon bton i wydzielon pr zez wirowanie przy duej sile odrodkowej. W zwizku z powyszym rybosomy, cytoszkielet i cytozol nie s organellami. Zamieszczono je w tabeli ze wzgldu na ich izolowanie przez wirowanie rnicowe. Mog by rozpatrywane jako struktury wewntrzkomrkowe lub frakcje. Organeile izolowane w toku pojedynczego cyklu wirowania rnicowego nie s czyste. W celu uzyskania czystych frakcji jest wymagane wielokrotne powtrzenie cyklu oczyszczania, ** Frakcje cytokszkieletowe mog by ocenione za pomoc mikroskopii elektronowej lub przez analiz elektroforetyczn charakterystycznych dla nich biaek. cznie ttok obraca si w szklanej probwces odpowiednich rozmiarw, zawierajcej pocite kawaki narzdu we waciwym rodowisku, takim jak STKM. Kontrolowane obroty toka powoduj cicie i rozbijanie komrek, uwal- niajc ich skadniki do roztworu sacharozy. Otrzymana zawiesina, zawierajca wiele nie naruszonych organelli, nazywa si homogena-em. Wirowanie. Frakcjonowanie skadnikw homogenatu przez wirowanie rnicowe jest technik o kluczowym znaczeniu w biochemii, W klasycznej metodzie stosuje si seri 3 od-wirowa przy stopniowo zwikszajcych si szybkociach (ryc. 2-2), z ktrych kade dostarcza osadu i supernatantu. Supernatant na ka- dym etapie poddaje si odwirowaniu. Takie postpowanie pozwala otrzyma 3-krotnie osad, nazywany odpowiednio frakcj jdrow, mitochondrialn i mikrosomaln. adna z tak uzyskanych frakcji nie reprezentuje w peni czystych organelli. Jednake, na podstawie bada w mikroskopie elektronowym oraz analizy aktywnoci odpowiednich enzymw znacznikw (ang, markerw) i skadnikw chemicznych (np. DNA i RNA), stwierdzono, e gwnymi elementami opisywanych 3 frakcji s odpowiednio: jdra komrkowe, mitochondria i mikrosomy. Znacznikowy enzym lub skadnik chemiczny jest jednym z parametrw prawie

19. 20 / ROZDZIA 2 i . :-:-: -i p 600 g x 10 min. ,Homogenat , Supernatant (1) 15,000 g x 5 min Frakcja Jdrowa 105,000 g x 60 min Supernatant (31 Ryc. 2-2. Schemat rozdziau frakcji wewntrzkomrkowych za pomoc wirowania rnicowego. Zhomogenizowan tkank (np. wtrob) pocztkowo poddaje si wirowaniu przy maej sile odrodkowej, ktra dostarcza frakcji jdrowej {zawierajcej jdra komrkowe i nienaruszone komrki) oraz supernatantu (1). Supernatant (1) dekantujesi i poddaje wirowaniu przy redniej sile odrodkowej, ktre prowadzi do otrzymania frakcji mitochondrialnej {zawierajcej mitochondria, lizosomy i peroksysomy) i supernatantu (2). Supernatant ten poddaje si dekantacji oraz wirowaniu przy duej sile odrodkowej. Osad z tego wirowania stanowi frakcj mikrosomain (zawierajc mieszanin wolnych rybosomw oraz gadk i szorstk siateczk rd pla maty czn) i kocowy, klarowny pyn supernatant {3). Ten ostatni odpowiada cytozolowi, czyli sokowi komrkowemu. Rne modyfikacje tego podstawowego schematu wirowania rnicowego umoliwiaj izolacj kadej organelli komrkowej we wzgldnie czystym stanie. wycznego wystpowania w okrelonej organelli, np. fosfataza kwana w lizosomach, DNA w jdrze komrkowym (tab. 2-4). W ten sposb znacznik moe stanowi wskanik obecnoci lub braku w poszczeglnej frakcji organelli, w ktrych on wystpuje. Frakcja mikrosomalna (mikrosomy) zawiera gwnie mieszanin gadkiej i szorstkiej (siateczka rd-plazmatyczna z poczonymi z ni rybosomami) siateczki rdplazmatycznej oraz wolnych rybosomw. Zawarto ostatniego supernatantu odpowiada rozpuszczalnej frakcji cytopiazmy (cy-tozo). Modyfikacja tej podstawowej metody wirowania rnicowego przez stosowanie odmiennych rodowisk do homogenizacji tkanek, rnych technik wirowania (np. cigy lub skokowy gradient stenia sacharozy) pozwala wydzieli lepiej lub gorzej oczyszczone postacie wszystkich organelli komrkowych przedstawionych na ryc. 2-1 i wymienionych w tab. 2-4. Opisany powyej schemat frakcjonowania moe znale zastosowanie, w oglnym zarysie, do wikszoci narzdw i komrek. Jednak frakcjonowanie komrek tym sposrobem musi by ocenione przez analiz w mikroskopie elektronowym w celu standaryzacji metody. Nie naley przecenia znaczenia bada frakcjonowania struktur komrkowych w rozwoju biochemii i biologii komrki. Stanowi ono jedno z wa- niejszych rozwiza dowiadczalnych (patrz niej) i gwnie dziki jego wykorzystaniu wyja- niono funkcje organelli, przedstawionych w tab. 2-4. Informacje o funkcjach poszczeglnych organelli, przedstawione w tej tabeli, stanowi gwne osignicia bada biochemicznych (patrz niej). Rozwizanie dowiadczalne obejmuje 3 etapy Rozwizanie dowiadczalne stosowane w biochemii obejmuje 3 gwne etapy: 1) izolowanie biomolekul i organelli (p. powyej: Wi- rowanie), 2) okrelenie struktury biomoleku oraz 3) analizy, z wykorzystaniem rnych pre- paratw, funkcji i metabolizmu biomoleku (tj. syntezy i degradacji). Izolowanie biomoleku Wyjanienie funkcji biomoleku, podobnie jak w przypadku organelli, wymaga przede wszystkim wydzielenia ich w czystej postaci. W tabeli 2-5 przedstawiono gwne metody Supernatan t ( 2) Frakcja mllochondfialna , Frakcja ml kro BO matna

20. BIOMOLEKUY I METODY BIOCHEMICZNE / 21 wykorzystywane do rozdziau i oczyszczania biomoleku. W tym podrozdziale nie podano szczegw metodycznych, niektre z nich zostan krtko opisane w rnych miejscach tego podrcznika. Poczenie kilku metod jest prawie zawsze nieodzowne w oczyszczaniu biomoleku do stanu jednorodnoci (wolnych od zanieczyszcze innymi biomolekuami). Naley podkreli, e postpy biochemii s uwarunkowane rozwojem nowych metod analizy, oczyszczania i badania struktury. Na przykad biochemi lipidw zrewolucjonizowao wprowadzenie chromatografii ciecz owo-gazowej i chromatografii cienkowarstwowej. Analiza bon biologicznych i wielu biaek przysparzaa ogrom- nych trudnoci, a do chwili wprowadzenia elektroforezy w elu poliakryloamidowym zawierajcym SDS (SDS-PAGE). Wprowadzenie de- tergentu siarczanu dodecylu sodu (SDS) pozwala rozpuci" wiele biaek do analizy elektroforetycznej, ktre przedtem uchodziy Tabela 2-5. Gwne metody stosowane do rozdziau i oczyszczania biomoleku. Wikszo z nich jest uyteczna do analizy skadnikw obecnych w ekstraktach komrkowych i innym materiale biologicznym. Poczenie kilku technik pozwala oczyci wikszo biomoleku. Zaleca si Czytel- nikowi podrczniki przedstawiajce szczegowe opracowania metod wykorzystywanych w badaniach biochemicznych Frakcjonowanie za pomoc soli (np. wytrca- nie siarczanem amonu) Chromatografia Bibuowa Jonowymienna (wymieniacze anionowe i kationo- we) Powinowactwa Cienkowarstwowa Cieczowo-gazowa Cieczowa wysokocinieniowa Filtracja elowa Elekt roto re za Bibuowa Wysokonapiciowa Na agarozie Na octanie celulozy W elu skrobiowym W elu poliakryloamidowym W elu poliakryloamidowym zawierajcym SDS U Itra w i rowan i e raczej za nierozpuszczalne. Rozwj metod sek-wencjonowama i klonowania DNA dokona przewrotu w badaniach kwasw nukleinowych i biologii w ogle. Okrelanie struktury biomoleku Kiedy bioczsteczki zostan oczyszczone, wtedy naley okreli ich struktur. Pozwoli to na szczegowe znalezienie zalenoci midzy ich budow a Funkcj. Gwne metody, wykorzystywane w analizie budowy biomoleku, przedstawiono w tab. 2-6. S one znane Czytel- nikowi, ktry ma pewien zakres wiedzy z chemii organicznej. Znana swoisto niektrych enzymw czyni je bardzo uytecznymi narzdzia- mi w wyjanieniu waciwoci strukturalnych pewnych biomoleku. Udoskonalenia w ich roz- dzielaniu dokonano dziki postpowi teoretycz- nemu i technologicznemu, w wyniku wprowadzenia spektrometrii masowej i spektroskopii jdrowego rezonansu magnetycznego (NMR), ktre stay si metodami z wyboru do oznacza- nia budowy. Na przykad budowa bardzo zoonych acuchw wglowodanowych, wykryta w niektrych biomolekulach, takich jak gliko-proteiny, obecnie czsto moe by wyjaniona dziki spektroskopii wysokorozdzielczej NMR. Najbardziej wnikliwej informacji o budowie biomolekui dostarcza dyfrakcja promieniami X i krystalografia. Zastosowanie ich byo prze- omem w wyjanieniu szczegw budowy r- nych biaek i enzymw oraz natury podwjnego heliksuDNA. Tabela 2-6. Gwne metody stosowane w okre- leniu struktur biomoleku Analiza elementarna Spektrofotometria w wietle nadfioletowym i wi- dzialnym Spektroskopia w podczerwieni, spektroskopia jdrowego rezonansu magnetycznego Zastosowanie kwasowej lub zasadowej hydrolizy do degradacji btomolekufy w badaniu jej podstawowych skadnikw Zastosowanie enzymw swoicie degradujcych biomolekuy (np. proteazy, nukleazy, glikozydazy) Spektrometria masowa L Metody swoistego sekwencjonowania {np. biaek, kwasw nukleinowych) Krystalografia rentgenowska

21. 22 / ROZDZIA 2 Analiza czynnoci i metabolizmu biomoleku Pocztkowe badania biochemiczne czowieka i zwierzt wykonywano na poziomie caego organizmu". Przykadem byy badania oddy- chania i ledzenie losu trawionych zwizkw. Wkrtce stao si jasne, e cay organizm jest zbyt zoonym obiektem, aby mona byo uzyska ostateczne odpowiedzi na wiek postawio- nych pyta. Rozpoczto zatem rozwija pro- stsze postpowania in vitro, ktre usuway wiele komplikacji powstajcych w dowiadczeniach na caym organizmie. W tabeli 2-7 podsumowa- no rne typy postpowania preparatywnego, dostpne obecnie w badaniach procesw biochemicznych; wikszo danych przedstawionych w tym podrczniku otrzymano przez ich zastosowanie. Wykaz metod przedstawiono w zmniejszajcym si porzdku stopnia ich zoonoci. Zarwno wykorzystanie bada na poziomie caego organizmu, jak i inne metody postpowania maj swoje ograniczenia. Przy- Tabela 2-7. Kolejno postpowania w badaniu procesw biochemicznych Poziom bada (metoda) Uwagi Organizm zwierzcy Wyizolowany, perfundowany narzd Skrawki tkankowe Komrki Homogenat Wydzielone organelte komrkowe Pod Struktury organelli komrkowych Izolowanie i charakterystyka metabolitw i enzymw Klonowanie genw kodu- jcych enzymy i biaka Badania mog obejmowa: 1) usunicie narzdu (np. hepatektomia) 2) zmiany w diecie (np. godzenie) 3) podawanie lekw (np. fenobarbital) 4) podawanie toksyn (np. tetrachlorek wgla) 5) wykorzystanie zwierzt z okrelon chorob {np. cukrzyca) 6) stosowanie wyrafinowanych technik, jak spektroskopia NMR i to mografia emisji pozytronowej Badania na tym poziomie s czsto fizjologiczne, ale ich interpretacja moe by utrudniona przez wpyw na narzdy ukadu krenia i ukadu nerwowego Szczeglnie uyteczne narzdy: wtroba, serce i nerka. Takie podejcie pozwala bada narzd poza wpywem innych narzdw lub ukadu nerwowego. Zastosowanie perfuzji zapewnia, e czynnoci narzdu s podtrzymywane przez kilka godzin Czsto uywa si skrawkw wtroby. Skrawki narzdu, odizolowane od innych wpyww; preparaty takie wykazuj jednake tendencj do degradacji w cigu niewielu godzin, czciowo, z powodu niedo- statecznego odywienia 1. Szczeglnie przydatne dla komrek krwi, ktre mona stosunkowo atwo oczyci 2. Stosowanie komrek w kulturach tkankowych jest niezbdne w wielu dziedzinach biologii 1. Zapewnia preparatyk w ukadach bezkomrkowych 2. Moliwo dodawania lub usuwania okrelonych skadnikw (np, przez dializ) i analiza ich wpywu 3. Moliwo frakcjonowania przez wirowanie indywidualnych orga nelli komrkowych Szeroko stosowane w badaniach czynnoci mitochondriw, siateczki rdplazmatycznej, rybosomw, itp. Szeroko wykorzystywane, np. w badaniach czynnoci podstruktur mitochondriw Istotna cz analizy reakcji chemicznych lub szlakw metabolicznych Izolowanie sklonowanych genw jest istotne dla bada ich budowy i regulacji, moe stanowi podstaw w okrelaniu sekwencji amino-kwasowych kodowanych przez nie enzymw lub biaek

22. BIOMOLEKUY I METODY BIOCHEMICZNE / 23 czyn faszywych wynikw (artefaktw) dowiadcze in ntro moe by np. homogenizacja komrek, uwalniajca enzymy, ktre mog czciowo trawi skadniki komrkowe. STRATEGIE W BADANIU REAKCJI BIOCHEMICZNYCH SA ZOONE I WIELOPOZIOMOWE Niniejsza ksika w wikszoci bdzie doty- czya zoonych procesw biochemicznych (np. biosyntezy biaka, skurczu minia), cznie ze szlakami metabolicznymi. Szlak metaboliczny stanowi serie reakcji odpowiedzialnych za bio- syntez bardziej zoonego zwizku, zbudowa- nego z jednego lub wielu prostych zwizkw, czy za degradacj zwizku do jego kocowych produktw. O istnieniu zoonego procesu biochemicznego mona wnioskowa na podstawie obserwacji poczynionych na poziomie caego organizmu, np. obserwujc czowieka mona stwierdzi, e minie szkieletowe si kurcz. Wiemy, e glukoza suy jako rdo energii dla ludzi i innych organizmw zwierzcych, a zatem mona wnioskowa, e musi ona by degradowana (metaboiizowana) w organizmie w celu uzyskania energii. Jednake, aby zrozumie w peni przebieg tego procesu w komrkach ludzkich, a wiedza nasza o tym jest wci niekompletna, naley przeprowadzi analizy na rnych poziomach. Na rycinie 2-3 przedstawiono schematycznie rne typy obserwacji i analiz, ktre s nieodzowne w celu zrozumienia procesw biochemicznych, takich jak rozkad glukozy w celu uzyskania energii (proces znany jako gjikoli/a). Schemat ten stosuje si do podstawowego poziomu wszystkich gwnych procesw biochemicznych omawianych w niniejszej ksice i przedstawienia oglnej strate- gii w ich wyjanianiu. Powinien on si przypo- mina wtedy, kiedy kady z opisywanych gwnych procesw biochemicznych (np. glikoliza, utlenianie kwasw tuszczowych) bdzie rozpatrywany, chocia nie zawsze punkt wyszczegl- niony na rycinie bdzie z nim zwizany. Wiele wanych punktw, przedstawionych w tabeli 2-7 i na ryc. 2-3, zasuguje na dyskusj. Wnioskowania o obecnoci procesu biochemicznego lub szlaku metabolicznego na poziomie caego organizmu zwierzcego Badanie mechanizmw jago kontroli in vtvo Badanie wpywu swoistych chorb (np. wrodzone bloki metaboliczne, nowotwr itp,) na Jego przebieg Umiejscowienie procesu w Jednym (lub wicej) narzd z ie(ach) Umiejscowienie procesu w Jednej (lub wicej) organem czy frakcji komrkowej Przedstawienie reakcji zaangaowanych w jego przebieg t Oczyszczanie uczestniczcych w nim Indywidualnych substratOw, produktw, enzymw, koenzymw I innych skadnikw t Badanie mechanizmw Jego kontroli In vttro t Ustalenie mechanizmw reakcji zaangaowanych w Jego przebieg Ftekonstytucja przebiegu procesu (szlaku) Badanie procesu na poziomie genu za pomoc rekombinacji DNA Ryc. 2-3. Schemat oglnego postpowania w analizie procesu biochemicznego lub szlaku metaboliczne go. Wyszczeglnione etapy nie musz by stosowane dokadnie w wymienionej kolejnoci. Wykorzystanie ich prowadzi zwykle do wyjanienia szczegw procesu biochemicznego lub szlaku metabolicznego. Schemat ten znajduje zastosowanie we wszystkich gwnych szlakach metabolicznych przedstawionych w nastpnych rozdziaach niniejszej ksiki.

23. 24 / ROZDZIA 2 1. Aby. zrozumie proces biochemiczny na poziomie molekularnym, pomimo moliwoci pojawienia si artefaktw, nieodzowne jest wyizo- lowanie i identyfikacja kadego z jego skadnikw w czystej postaci. Liczne przykady tego bd spotykane pniej. 2. Istotna jest take moliwo rekonstytucji procesu w warunkach in vitro przez systematyczn jego odbudowe z indywidualnych skadnikw. Jeeli po rekonstytucji z jego skadnikw proces nie przebiega, oznacza to, e pewien krytyczny skadnik zosta utracony i nie zosta wprowadzony do ukadu. 3. Ostatnie zdobycze technologiczne (np. spektroskopia NMR i tomografia emisji pozytrono-wej; ang. PET scanning) pozwalaj wykrywa pewne biomolckuy na poziomie narzdu i rejestrowa zmiany ich iloci w czasie. Takie rozwizania wskazuj, e staje si moliwe wykonywanie wyrafinowanych analiz wielu procesw biochemicznych na poziomie in vivo. 4. Jeeli wyniki bada uzyskiwanych na rnych poziomach pokrywaj si, to ma si prawo wnioskowa, e zosta poczyniony rzeczywisty postp w zrozumieniu procesu biochemicznego. Jeli pojawi si due rozbienoci przy zastosowaniu rnych rozwiza dowiadczalnych, to ich przyczyny musz by badane a do uzyskania racjonalnego wyjanienia. 5. Przedstawione sposoby preparatywne i poziomy analiz mog by wykorzystane w badaniu rnic biochemicznych u zwierzt ze zmienionym stanem metabolicznym {np. godzenie, karmienie) lub swoistymi chorobami (np. cukrzyca, rak). 6. Wikszo przedstawionych metod i rozwiza mona wykorzysta w badaniach prawidowych i zmienionych chorobowo komrek lub tkanek czowieka. Jednake naley uwzgldni warunki (czas) pobierania takiego materiau i szczeglnie bra pod uwag wzgldy etyczne prowadzenia dowiadcze z materiaem ludzkim. Zastosowanie radioaktywnych i cikich izotopw przyczynio si do wyjanienia procesw biochemicznych Wprowadzenie izotopw do bada w biochemii w latach 30. naszego wieku stanowio punkt zwrotny, zatem ich zastosowania za- suguj na specjaln wzmiank. Przed ich uy- ciem bardzo trudno byo naznaczy" biomole-kuy, aby mona byo atwo ledzi ich los metaboliczny". Pionierskie dowiadczenia, zwaszcza Schoenheimera i wsp., wprowadzaj- ce niektre izotopy trwae (np. 2 D, l5 N), poczone z ich detekcj na drodze spektrometrii masowej, znalazy zastosowanie w rozwizywa- niu wielu problemw biochemicznych. Na przykad pewne zsyntetyzowane aminokwasy, cukry i kwasy tuszczowe, zawierajce odpowiednie trwae izotopy, podaje si zwierztom lub in vitro w toku preparatyki, aby ledzi ich los metaboliczny (np. okres poowicznego rozpadu, przemian w inne biomolekuy). Zwizki zna- kowane trwaymi izotopami wykorzystano do poznania wielu aspektw metabolizmu biaek, wglowodanw i lipidw. Z tych dowiadcze wynika jasno, e metabolizm jest bardzo aktyw- nym procesem, a wikszo zwizkw w komr- ce jest stale syntetyzowana i degradowana, cho z odmienn szybkoci. Te odkrycia, zdaniem Schoenheimera, zwrciy uwag na dynamicz- ny charakter metabolizmu". Tabela 2-8. Gwne izotopy stosowane w badaniach biochemicznych Izotopy trwale Izotopy promieni ot w rcze 2 D"N "C M Ca 131 1 Pniejsze wprowadzenie izotopw radioaktywnych oraz przyrzdw umoliwiajcych po- miar ich aktywnoci byo take niezmiernie wane. W tabeli 2-8 przedstawiono gwne trwae i radioaktywne izotopy wykorzystywane w ukadach biologicznych. Zastosowanie zarwno izotopw trwaych, jak i radioaktywnych jest fundamentalne dla rozwoju kadego dziau biochemii. Badania za ich pomoc zoonych i prostych biomoleku zarwno in vivo, jak i in vitro budz zaufanie. Ogromny postp, poczyniony ostatnio w sekwencjonowaniu kwasw nukleinowych, a take w oznaczaniu substancji wystpujcych w-ukadach biologicznych w nie- zwykle maych ilociach stosujc metody radio-immunologiczne, opiera si na wykorzystaniu izotopw.

24. BIOMOLEKUY I METODY BIOCHEMICZNE / 25 BIOCHEMIA, PRZEZ LICZNE ODKRYCIA, WSPIERA BIOLOGI KOMRKI I MEDYCYN Poniej dokonano podsumowania gwnych osigni w dziedzinie biochemii, zwaszcza w odniesieniu do biochemii czowieka. Obej- muj one: Ustalenie penego skadu chemicznego kom rek, tkanek i organizmu oraz wydzielenie i okrelenie budowy podstawowych zwiz kw w nich wystpujcych. Dostarczenie informacji, przynajmniej na oglnym poziomie, o funkcjach wielu pro stych, a take gwnych zoonych biomoleku (opisanych w dalszych rozdziaach ksi ki), W centrum zainteresowania pozostaje DNA, materia genetyczny, z ktrego infor macja jest przenoszona na 1 z typw RNA (informacyjny RNA, czyli mRNA), ktry z kolei dyktuje kolejno (sekwencje) amino kwasw w biakach. Przepyw informacji z DNA moe by zapisany nastpujco: DNA-> RNA-+ biako. Wydzielenie gwnych organelli komrek zwierzcych i ustalenie ich podstawowych funkcji. Stwierdzenie, e prawie wszystkie reakcje przebiegajce w komrkach katalizuj en zymy; oczyszczono i zbadano wiele enzymw oraz przedstawiono obszernie waciwoci i mechanizmy ich dziaania. Przedstawienie szlakw metabolicznych syn tezy i degradacji gwnych prostych i zoo nych biomoleku. Szlak syntezy danego zwiz ku w zasadzie rni si od szlaku jego de gradacji. Wyjanienie licznych aspektw regulacji me tabolizmu. Przedstawienie, w szerokim zakresie, w jaki sposb komrki zachowuj i wykorzystuj energi. Wyjanienie wielu aspektw budowy i funkcji rnych bon wystpujcych w komrkach, ktrych gwnymi skadnikami s biaka i li pidy. Przedstawienie, w oglnym zarysie, sposobu dziaania gwnych hormonw Wykrycie biochemicznych podstaw wielu chorb. POZOSTAO WIELE DO ZBADANIA Zdajc-sobie spraw, jak wiele zgromadzono wiadomoci biochemicznych, naley oceni, jak niewiele jeszcze wiadomo w wielu dziaach tej nauki. Dwa istotne problemy, wymagajce wyjanienia, dotycz ustalenia biochemicznych podstaw rozwoju i rnicowania oraz funkcji mzgu. Chocia obecnie dobrze poznano natur chemiczn materiau genetycznego, prawie nic nie wiadomo o mechanizmach, ktre wczaj i wyczaj geny w czasie rozwoju. Zrozumienie regulacji genw stanowi klucz do poznania, jak rnicuj si komrki i jak zmieniaj si w komrki nowotworowe. Wiedza o podziale komrkowym i wzrocie komrek prawidowych i no- wotworowych oraz o ich regulacji jest bardzo skpa. Rzeczywicie nic nie wiadomo na temat biochemicznych podstaw zoonych zjawisk ncuronalnych, takich jak wiadomo i pami. Bardzo ograniczona jest rwnie nasza wiedza 0 mechanizmach wydzielania komrkowego. Pomimo pewnego postpu, molekularne pod stawy wikszoci gwnych chorb genetycznych nie s wyjanione, ale wiele nadziei niesie tech nologia rekombinacji DNA, zwiastujc zauwa alny rozwj w tej dziedzinie w cigu kilku najbliszych lat. Ludzki genom moe by zsekwencjonowany w nastpnym stuleciu lub wczeniej. Wiadomo- ci uzyskane przez tak ogromny wysiek bd potnym wyzwaniem dla biologii czowieka 1medycyny. PIMIENNICTWO Freifelder D: Physica Biochemistry: Appiicalions to Biochemistry and Molecuar Biology. Fceeman, 1982.Fruton JS: Moecuks and Life; Historical Essays on the Interplay of Ckemistry and Biology. Wiley- -Interscience, 1972, Weinberg RA: The molecules of life. Sci Am (Oct) 1985; 253: 48. [Entire issue is of interest.]

25. 3 Woda i pH Vicor W. Rodwel, PhD WPROWADZENIE Biochemia dotyczy w wikszoci waciwoci i reakcji chemicznych zwizkw organicznych. Czsto jednak si zapomina, e w komrkach ywych wikszo reakcji chemicznych przebiega w rodowisku wodnym. Woda jest czynnym skadnikiem w wielu reakcjach biochemicznych i jest wanym czynnikiem determinujcym waciwoci makroczsteczek, takich jak biaka. Woda dysocjuje do jonw OH~ i H+ . Termin pH stosuje si do okrelenia stenia jonw wodorowych w komrkach oraz pynach ustro- jowych i stanowi kluczowe pojcie w biochemii i medycynie. Grupy funkcyjne (aminowe, kar-boksylowe itd.) biomoleku dysocjuj przy okrelonej wartoci pH, a wiele ich waciwoci biologicznych i fizycznych zaley od tej dyso-cjacji. ZNACZENIE BIOMEDYCZNE Wiadomo, e dla zdrowia nieodzowna jest stao rodowiska wewntrznego organizmu, utrzymywana we wzgldnie wskich granicach. Dotyczy to oglnego rozmieszczenia wody, a take utrzymywania pH i stenia rnych elektrolitw, np. Na+ , K+ , Ca2+ , Mg2+ i fos- foranw w organizmie. Oglna zawarto wody w organizmie mczyzny waha si w granicach 5565% masy ciaa; mniejsza warto odnosi si do osb otyych. Dane dla kobiet s mniejsze, rednio o ok. 10%. Dwie trzecie wody organizmu stanowi pyn wewntrzkomrkowy (ang. intraceliular fluid; skrt ICF), za pozosta cz reprezentuje pyn pozakomr-kowy (ang. extracellular fluid; skrt ECF). Okoo 25% ECF wystpuje' w osoczu. Regulacja rwnowagi wodnej jest zoona i za-iey przede wszystkim od podwzgrza, kont- rolujcego pragnienie, hormonu antydiuretycz-nego (ADH) i czynnoci nerek. Stany niedoboru wody i nadmiaru wody ustrojowej s powszechne. W wielu przypadkach towarzyszy im niedobr lub nadmiar jonw sodowych. Przyczynami niedoboru wody mog by: 1) zmniejszone jej pobieranie (np. podczas piczki) lub 2) nadmierne jej wydalanie (np. utrata z moczem w cukrzycy, przy silnych potach przez skr, w ostrej biegunce u dzieci, w przebiegu chslery). Nadmiar wody ustrojowej powoduj: 1) zwikszone pobieranie (np. przy nadmiernym podawaniu pynw doylnie) bd 2) zmniejszone jej wydalanie (np. w ostrej niewydolnoci nerek). U osb zdrowych pH pynu pozakomrko-wego utrzymuje si w granicach 7,357,45. Bufor wodorowglanowy (HCOf/H2CO3) odgrywa szczeglnie wan rol w tym wzgldzie. Kiedy pH osiga warto poniej 7,35, wtedy dochodzi do stanu okrelanego jako kwasica, jeeli za pH przekroczy warto 7,45 wystpuje zasado wica. Zaburzenia rwnowagi kwasowo-zasadowej mona zwykle rozpozna oznaczajc pH krwi ttniczej, pCO2 oraz ogln zawarto COj we krwi ylnej, znajc poprzednio wymienione wartoci, stenie HCOf. Istniej liczne przyczyny kwasicy (ketoacydoza cukrzycowa, kwasica mleczanowa itp.) i zasadowicy (wymioty kwan treci odkow, dziaanie niektrych lekw moczopdnych itp.). Znajo- mo patogenezy zaburze rwnowagi wodnej i rwnowagi kwasowo-zasadowej jest podstaw waciwej diagnozy i ich leczenia. Wymaga to zatem poznania tych waciwoci wody, ktre umoliwiaj jej odegranie kluczowej roli w biochemii.

26. WODA I pH / 27 Czsteczka wody wykazuje budow tetraedryczn Czsteczka wody ma posta nieregularnego czworocianu (tetraedr) z atomem tlenu w jego rodku (ryc. 3-1). Dwa wizania z wodorem s skierowane w 2 rogi czworocianu, podczas gdy 2 pozostae rogi s zajte przez niesparowane elektrony na zhybrydyzowanych orbitalach 2sp3 . Kt pomidzy 2 atomami wodoru a tlenem (105) jest nieco mniejszy ni kt tetraed-ryczny (109,5c ), co przyczynia si do utworzenia nieznacznie skonego czworocianu. Ryc. 3-2. Tetraedryczna struktura amoniaku. Ryc. 3-1. Tetraedryczna struktura wody Nierwnomierne rozmieszczenie adunku w czsteczce wody przyczynia si do utworzenia dipolu (czsteczki biegunowej) Lekko pochyla struktura czworocianu wody jest przyczyn nierwnomiernego rozmieszczenia w niej adunku. Przeciwlega do 2 atomw wodoru strona tlenu jest stosunkowo bogata w elektrony, natomiast druga strona, zawierajca wzgldnie odsonite jdra wodoru, tworzy obszar o adunku miejscowo dodatnim. Pojcie dipol" oznacza tak czsteczk, jak woda, w ktrej adunek elektryczny (elektrony) jest rozmieszczony nierwnomiernie. Amoniak, podobnie jak woda, jest tetraedryczn czsteczk dipolow W czsteczce amoniaku kty midzy wizania- mi atomw wodoru (107) s zblione do kta tetraedrycznego nawet bardziej ni w wodzie {ryc. 3-2). Wiele zwizkw organicznych buduj- cych komrki jest dipolami, np. alkohole, fos-folipidy, aminokwasy i kwasy nukleinowe. STRUKTURA TETRAEDRYCZNA I DIPOLARNY CHARAKTER WODY UATWIAJ REAKCJE W stanie ciekym woda jest stabilizowana przez wewntrzczsteczkowe wizania wodorowe, ktre tworz struktur wielkoczsteczkow przypominajc struktur lodu Czsteczki wody, z powodu dwubiegunowego charakteru, tworz uporzdkowane ukady (przypominajce patki niegu). Jednake uporzdkowanie takie, jak w czsteczce wody, nie ogranicza si do lodu. Woda w stanie ciekym wykazuje struktur wielkoczsteczkow, ktra jest cile rwnolega do rozkadu geometrycz- nego czsteczek wody w lodzie. Zdolno czsteczek wody do czenia si ze sob zarwno w stanie ciekym, jak i staym wynika z dipolar-ncgo charakteru wody. Pozostaje ona w stanie ciekym z powodu przemijajcego charakteru jej kompleksw wielkoczsteczkowych (okresu ptrwania asocjacji dysocjacji czsteczek wody ok. 1 as). W stanie staym kada czsteczka wody asocjuje z 4 innymi czsteczkami wody. W stanie ciekym liczba asocjuj-cych czsteczek jest nieco mniejsza (ok. 3,5) i w tym stanie woda swoj budow wielkoczsteczkow, z wyjtkiem przemijajcej natury wewntrzczsteczkowych interakcji, przypomi- na ld w znacznie wikszym stopniu ni mona byo pocztkowo przypuszcza. Dipolarny charakter czsteczek wody sprzyja ich wzajemnemu czeniu si w uporzdkowa- nym, precyzyjnym szyku, wynikajcym z we- wntrznej geometrii czsteczki wody (ryc. 3-3).

27. 28 / ROZDZIA 3 V Ryc. 3-3. Strona Iswa: Asocjacja 2 dipoiarnych czsteczek wody. Linia kropkowana przedstawia wizanie wodorowe Strona prawa: Asocjacja czsteczki wody (rodkowej) z 4 innymi czsteczkami wody za pomoc wiza wodorowych. Struktura ta jest typowa dla lodu i w mniejszym stopniu dla wody w stanie ciekym. Oddziaywanie elektrostatyczne midzy jd- rem wodoru jednej czsteczki wody a woln par elektronw drugiej nazywa si wizaniem wodo- rowym. W porwnaniu do wiza kowalencyj- nych, wizania wodorowe s raczej sabe. Roze- rwanie wizania wodorowego w wodzie (w stanie ciekym) wymaga ok. 18,8 kJ/mol (4,5 kca!/mol), tj. ok. 4% energii wymaganej do rozerwania wizania OH w wodzie (461 kJ/mol=llO kcal/mol). Sabe wizania wodorowe odgrywaj istotn rol w biochemii, wczajc stabilizacje struktury biaek i kwasw nukleinowych Wizania wodorowe, ktre s sabe, lecz mog powstawa w duych ilociach, odgrywaj istotn rol w biochemii. Liczne wizania Ryc. 3-4. Powstawanie wiza wodorowych midzy czsteczkami etanolu i wody, midzy 2 czsteczkami etanolu oraz midzy tlenem grupy kar-bonylowej peptydu i wodorem grupy aminowej ssiadujcego peptydu. wodorowe narzucaj uporzdkowanie struktury nie tylko wodzie, lecz take innym czsteczkom dipolowym, tak odmiennym od wody, jak alkohole, DNA i biaka. Tworzenie wiza wodorowych midzy przedstawicielami czsteczek wanych fizjologicznie zwizkw przedstawia ryc. 3-4. Powstawanie ich nie ogranicza si do czsteczek wody. Atomy wodoru, poczone z atomami azotu, mog uczestniczy take w wizaniach wodorowych. Problem ten bdzie rozpatrywany w dalszej czci ksiki w zwizku z omawianiem trjwymiarowej struktury biaek oraz regu czenia si (parowania) zasad azotowych w DNA, Czsteczki wody wykazuj niewielk, ale fizjologicznie wan, tendencj do dysocjacji, tj. tworzenia maych iloci jonw OH- i H Czsteczki wody wykazuj ograniczon tendencj do dysocjacji (jonizowania) na jony H + iOH": H2O ~ H+ + OH" Poniewa jony s w cigym ruchu, twcTrzc czsteczki wody i dysocjujc, trudno okreli, czy pojedynczy atom wodoru Jub tlenu wystpuje jako jon, czy jako cz czsteczki wody. W danym momencie moe by jonem, a w nastpnym czci czsteczki. Jonw oraz czsteczek wody nie rozpatruje si pojedynczo. Wiedzc, e 1 g wody zawiera 3,46 x 1022 czsteczek, jonizacj wody mona opisa statystycz- nie. Naley zna prawdopodobiestwo wystpowania wodoru w formie jonu lub czci czsteczki wody. W przypadku gdy prawdopodobiestwo wystpowania wodoru w formie jonu wynosi 0,01 oznacza to, e atom wodoru ma 1 szans na 100 bycia jonem, a 99 szans na sto istnienia w czsteczce wody. Faktyczne prawdopodobiestwo znalezienia atomu wodoru w postaci jonu w czystej wodzie wynosi ok. 0,0000000018, tj. 1,8 x 10~9 . Zatem jest on prawie w caoci czci czsteczki wody. Wynika z tego, ze w czystej wodzie na kady jon wodorowy i hydroksy- lowy przypada 1,8 x 109 , tj, 1,8 mld czsteczek wody. Jony wodorowe i hydroksylowe maj jednak znaczny wpyw na waciwoci wody. Tendencj wody do dysocjacji wyraa si nastpujco: [H2O] VH ,, CH3 CHj CHj CH

28. WODA I pH / 29 W nawiasach przedstawiono stenia molowe jonw wodorowych, hydroksylowych i nie-zdysocjowanych czsteczek wody*, a K nazwano stal dysocjacji. Aby obliczy stal dysocjacji dla wody, naty przypomnie, e 1 mol ma mas 18 g. Jeden litr (1) (1000 g) wody zawiera zatem 1000:18 = 55,56 mol. Stenie molowe czystej wody wynosi wic 55,56 mol. Poniewa prawdopodobiestwo wystpowania wodoru w formie jonowej wynosi 1,8 x 10~9 , stenie molowe jonu H+ (lub jonw OH~) w wodzie oblicza si, mnoc prawdopodobiestwo 1,8 x 10~* przez stenie molowe wody, tj. 55,56, co daje wynik= 1,0 x 10"7 mol/l. Teraz mona wyliczy warto K dla wody: [H+] [ O H ] [ 1 0 7 ] [ 1 0 7 ] [55,56] 14 = 1,8 x 1O" 1S mol/l Due stenie molowe wody (55,56) prawie nie ulega zmianom przez dysocjacj. Std wygodnie jest rozpatrywa wod jako zasadniczo niezdysocjowan (stal). Staa ta moe by wczona w sta dysocjacji K, jako nowa staa Kw, zwana iloczynem jonowym wody. Stosunek midzy Kw a K przedstawiono poniej: 1,8 x 10- 16 mol/l [HZO] Kw = (K) [HtO] = [H+] [ O H ] = - 1,8x10 16 mol/l) (55,56 mol/l) = = 1,00 x 10" 14 (mol/l) 1 Sta K wyraa si w molach na litr, za Kw w mol2 na litr2 . Z nazwy wynika, e iloczyn jonowy Kw jest liczbowo rwny iloczynowi ste molowych jonw H + i OH ~: Kw = [H+] [ O H ] W temperaturze 25C Kw = (10~7 )2 m 10~14 (mol/f)2 . Natomiast w temperaturach poniej 25C warto Kw jest wiksza, za powyej 25C mniejsza ni 10~14 . W temperaturze ciaa ludzkiego (37C) stenie H+ w wodzie jest nieco wiksze ni 10~7 mol/l. W ramach ustalonych granic wpywu temperatury, warto Kw = 10~1 '1 (mol/1)2 dla wszystkich roztworw wodnych, nawet dla tych, ktre zawieraj kwasy lub zasady. W dalszej czci rozdziau stal ta bdzie wykorzystywana do obliczenia wartoci pH roztworw kwanych i zasadowych. pH JEST UJEMNYM LOGARYTMEM STENIA JONW WODOROWYCH, A CILEJ AKTYWNOCI JONW WODOROWYCH Termin pH wprowadzi w 1909 r. Srensen, definiujc pH jako ujemny logarytm stenia jonwwodorowych: pH = -log[H + ] Definicja ta, aczkolwiek niezbyt cisa*, jest na og wystarczajca do celw biochemicznych. Aby obliczy pH roztworu naley: 1) oznaczy stenie jonw wodorowych (H+ ), 2) obliczy logarytm dziesitny (H+ ), 3) pH jest ujemn wartoci znalezion w punkcie (2). Na przykad w przypadku czystej wody w temp. 25C: pH = -log[H*] = -logiO Mae wartoci pH odpowiadaj duym steniom jonw H+ , a due maym steniom H+ Kwasy okrela si dawcami protonw, a zasady biorcami protonw. Wyrnia si mocne kwasy (np. HC1, H2SO4) cakowicie zdysocjo-wane, nawet w mocnych roztworach kwanych (niskie pH), oraz sabe kwasy, czciowo tylko dysocjujce w roztworach kwanych. Podobnie mona wyrni mocne zasady (np. KOH, NaOH) i sabe zasady (np. Ca(OH)2>. Tylko mocne zasady dysocjuj przy maych wartociach pH. Wikszo zwizkw organicznych w komrkach to sabe kwasy. Wyjtek stanowi ufos-forylowane zwizki porednie, ktre zawieraj * scisie mwic, wyraenia w nawiasacn reprczen- ---------------------------------------------------------------------------------- tuj raczej aktywno molow ni stenie molowe. * pH= log (aktywnoci H + ) K [HZO] = 0,018 x 10 [OHK -[-7]= 7,0 cile mwic, wyraenia w nawiasach reprezen-

29. 30 / ROZDZIA 3 silnie kwasow grup pierwszorzdowego kwasu fosforowego. Ponisze przykady ilustruj sposb oblicza- nia pH roztworw kwanych i zasadowych: Przykad. Jakie jest pH roztworu, w ktrym stenie jonu wodorowego wynosi 3,2 xlO"4 mol/l? Stenie (mol/1) (a) (b) Molowo KOH [0H-] 2 KOH [OH-j z wody Cao [0H-] 2,0 xicr 2 2,0 xl O" 2 1,0x10" 7 2,00001 x10~ 2 2,0x10" 6 2,0x10~ e 1,0x10" 7 2,1 x10" 6 = -log (3,2x10"*) = -log (3,2) -logCIO" 4 ) =-0,5+4 = 3,5 Przykad. Jakie jest pH roztworu, w ktrym stenie jonu hydroksylowego wynosi 4,0 x 10"4 mol/l? Aby rozwiza to zadanie, naley okreli ilociowo warto pOH, ktre jest rwne log [OH~]; warto t mona wyprowadzi z definicji K: [OH-] = 10" 14 zatem log [H + ] + log [ O H ] = log 10" lub pH + pOH = 14 A nastpnie: [ O H ] = 4,0 x 1 0 * pOH = -log [ O H ] = -log (4,0 x 10 4 ) = -log (4,0) - 1og(10" 4 ) = -0,60 + 4,0 = 3,4 i teraz pH = 14 - pOH = 14 - 3,4 = 10,6 Przykad. Jakie jest pH roztworu (a) 2,0xl0"! mol/l KOH, (b) 2,0 x 10"* mol/l KOH? W roztworach tych jony OH~ pochodz z 2 rde: KOH i wody. Poniewa pH okrela cakowite stenie jonw [H+ ] (pOH cakowite [OH ]) naley obydwa rda bra pod uwag. W pierwszym przypadku udzia wody w cakowitej puli [OH~] jest nieistotny, czego nie mona powiedzie w drugim przypadku. W momencie podjcia decyzji o znaczeniu udziau wody, pH mona wyliczy jak powyej. , W przedstawionych przykadach przyjto zaoenie, e mocna zasada KOH jest w peni zdysocjowana, a stenie molowe jonw OH~ rwna si steniu molowemu KOH. Zaoenie to jest suszne dla wzgldnie rozcieczonych roztworw mocnych zasad i kwasw lecz nie dotyczy sabych zasad i kwasw. Ze wzgldu na fakt, e te sabe elektrolity tylko w niewielkim stopniu dysocjuj w roztworach, naley przed obliczeniem cakowitego [H+ ] (lub cakowitego [OH~]) oraz obliczeniem pH, obliczy stenie H+ (lub stenia OH~) z danego stenia molowego kwasu (lub zasady), wykorzystujc sta dysocjacji. Biomolekuy zawieraj grupy funkcyjne czynne o istotnym znaczeniu fizjologicznym, ktre zachowuj si jak sabe kwasy Wiele zwizkw organicznych ywych komrek ma grupy funkcyjne, typowe dla sabych kwasw lub zasad. Jedna lub wicej grup funkcyjnych gwnie grupy karboksylowe, aminowe lub utworzone w wyniku drugorzdowej dysocjacji fosforanowej estrw fosforanowych wystpuj we wszystkich biakach i kwasach nukleinowych, wikszoci koenzymw oraz metabolitw porednich. Aby zrozumie wpyw wewntrzkomrkowego pH na budow i aktywno biochemiczn tych zwizkw, naley pozna sposb dysocjacji (rwnowagi protono- Tabela 3-1. Przykady sabych kwasw i sprzonych z nimi zasad Kwas Sprzona zasada CH3COOH CH3COO- CH3NH3 CH3NH2 OH O" H+N NH N NH

30. WODA I pH / 31 wej) grup funkcyjnych sabo kwanych i sabo zasadowych. W laboratoriach badawczych i klinicznych rozdzia i identyfikacja tych zwizkw opiera si na znajomoci przebiegu dysocjacji ich grup funkcyjnych. Protonowa forma kwasu (HA lub RNH+) odnosi si do kwasu, za nieprotonowa (A~ lub RNH2} do sprzonej z nim zasady (tab. 3-1). Podobnie mona opisa zasad (np. A~ lub RNH2) i sprzony z ni kwas (np. HA lub RNH+) (lac. conitmgere poczy razem). Wzgldn moc sabych kwasw i zasad wyra- a sie ilociowo przez ich stale dysocjacji, ktre obrazuj ich tendencje do jonizacji. Poniej podano wyraenia staej dysocjacji (K.) dla 2 przedstawicieli sabych kwasw: i RNH+ RCOOH ++ RCOO + IR-COO ] [H + ] [RCOOH] *+ RNH2 [RMH2] [H [R-NHj] Z powyszych rwna, odnoszcych K do [H+ ] i do stenia niezdysocjowanego kwasu i sprzonej z nim zasady, wynika, e gdy IRCOO] = RCOOH lub gdy [RNHZ] = [R NHj] to wtedy K = [H+] Mona to wyrazi sowami: gdy rodzaj jonw zasocjowanych (protonowych) i zdysocjowanych (sprzone zasady) wystpuje w rwnych ste- niach, wwczas przewaajce stenie jonw wodorowych [H+ ] jest rwne liczbowo staej dysocjacji K. Jeli obliczy si logarytmy powyszego rwnania i obie strony pomnoy si przez I, to [H+] -log[H Poniewa wartoci liczbowe K dla sabych kwasw s ujemnymi liczbami wykadniczymi, wygodniej jest wyraa K jako pK, gdzie: pK = -l og K Tabela 3-2. Stae dysocjacji i wartoci pK dla przedstawicieli kwasw karboksylowych Kwas K pK Octowy 1,76x10 5 4,75 Gluta rowy (1-rz.) 4,58 x10" 5 4,34 (2-rz,) 3,89x10"6 5,41 Cytrynowy (1-rz.) 8,40x10" 4 3,08 (2-rz.) 1,80x10" E 4,74 (3-rz.) 4,00x10" 6 5,40 Naley odnotowa, e pK odnosi si do K tak, jak pH do stenia H + . W tabeli 3-2 przedstawiono wartoci K i pK dla kwasu mono-, di- i trikarboksylowego. Naley podkreli, e grupy mocniejszych kwasw maj mniejsze wartoci pK. Z definicji log K opisuje si jako pK, za log [H+ ] jako pH. W zwizku z tym mona ostatnie rwnanie zapisa pK = pH tj. pK grupy kwasowej jest takim pH, w ktrym stenia postaci protonowej i niepro tonowej s rwne. Warto pK kwasu mona oznaczy dowiadczalnie przez dodanie 0,5 rwnowanika* zasady na rwnowanik kwasu. Powstae w ten sposb kocowe pH bdzie odpowiada pK kwasu. Charakter sabych kwasw i buforw, ktre s roztworami sabych kwasw i ich soli opisuje rwnanie Hendersona--Hasselbalcha Warto pH roztworu zawierajcego saby kwas jest zalena od staej dysocjacji tego kwasu, jak przedstawiono powyej dla sabo kwanej wody. Zaleno t opisuje, w przystp- * Wedug ukadu SI pojcie rwnowanika chemicznego nie jest uywane, jednak w tym tumaczeniu okrelenie to wiadomie utrzymujemy {przyp. red. nauk. tum.). R -N H H K = K logK

31. 32 / ROZDZIA 3 nej formie, rwnanie Hendersona-Hasselbal-cha, wyprowadzone poniej. Saby kwas HA dysocjuje w nastpujcy sposb: HA~ H + +A" Staa dysocjacji dla tej reakcji dysocjacji wynosi: " [HA] Po pomnoeniu na krzy: [H+] [ A ] = K[HA] Po podzieleniu obu stron przez [A~] Zatem w przypadku zobojtnienia w poowie pH = pK. 2. Kiedystosunek(;A-]/[HA]wynosi 100:1 pH = pK + log 100/1 = pK + 2 3. Kiedy stosunek [A~]/[HA] wynosi 1:10 pH = pK + lo g - 1,0 - Po zlogarytmowaniu obu stron: i 10 o o 0,8 og[H+] [A ] log K + log I % li 1* 08 Po pomnoeniu przez 1 -fcg[H+] = -logK - log Po podstawieniu zamiast log H+ i log K odpowiednio pH i pK otrzymuje si [HA] pH = pK - log [A] i oj- pK pK pK pK pK pK pK -3 -2 -1 0 +1 +2 +3 tyc. 3-5. Typowa krzywa miareczkowania wy- krelona na podstawie wynikw oblicze z rwnania Hendersona-Hasselbalcha. Z kolei usuwa si znak minus, odwracajc ostatni czon rwnania: pH = pK 4 log Ta ostatnia forma rwnania, opisywana jako rwnanie Hendersona-Hasselbalcha, suy do wyliczania rwnowagi protonowej, np.: 1. Kiedy kwas jest zobojtniony dokadnie w poowie, tj. A~ =[HA]. W tych warunkach pK +- log =pK + 0 Jeli rwnanie zastosuje si dla rnych sto- sunkw [A-]/[HA] w zakresie 10M0"3 i przedstawi na wykresie wyliczone wartoci pH. to otrzymany wynik opisuje krzyw miareczkowania sabego kwasu (ryc, 3-5). Roztwory sabych kwasw i ich soli buforuj pHw przypadku dodania lub usuwania protonw Roztwory sabych kwasw i sprzonyct z nimi zasad (lub sabych zasad i sprzonycl z nimi kwasw) wykazuj zjawisko buforowa nia, tj. zdolnoci utrzymywania pH. Warto pt roztworu buforowego po dodaniu mocnego kwasi lub mocnej zasady nie zmienia si bardziej ni p< dodaniu takiej samej objtoci wody. Zjawisk* pK + (-1) [HA] [HA ] [ A ] [HA] [ A ] [HA] pH = pK + tog

32. WODA I pH / 33 buforowania mona najlepiej zilustrowa po- przez miareczkowanie sabego kwasu lub zasady wykorzystujc pH-metr. W innym rozwizaniu mona obliczy przesunicie pH, ktre ma miejsce w przypadku dodania kwasu lub zasady do zbuforowanego roztworu. W przedstawio- nym przykadzie, zbuforowany roztwr (mie- szanina sabego kwasu i sprzonej z nim zasady, pK = 5,0) wykazuje pocztkowo w jednej z 4 wartoci pH. Mona obliczy przesuniecie pH, ktre wystpi, jeli zostanie dodany 0,1 mmol/1 K.OH na kady milirwnowanik kwasu w roztworze (o steniu 1 mmol). 5,00 5,37 5,60 5,86 0,50 0,70 0,80 0,88 0,50 0,30 0,20 0,12 1,00 2.33 4,00 7,33 Ryc. 3-6. Krzywa miareczkowania kwasu typu HA. Punkt {) wskazuje pK o wartoci 5,0. Dodanie 0,1 mmol KOH powoduje 0,60 0,80 0,90 0,98 0,40 0,2 0 0,1 0 0,02 1,50 4,00 9,00 49,0 0,176 0,602 0,95 1,69 5,18 5,60 5,95 6,69 0,18 0,23 0,35 0,83 Zmiana pH, wywoana przez dodanie 1 mmol jonw OH~ rni si znacznie w zalenoci od pH. Przy wartociach pH zblionych do wartoci pK, roztwory buforowe utrzymuj skuteczniej pH, co okrela si ich efektem buforujcym. Roztwory sabych kwasw i sprzonych z nimi zasad s najskuteczniejszymi ukadami buforowymi w zakresie pH rwnym pK + 2,0 jednostki pH. Oznacza to, e aby zbuforowa roztwr w pH X, mona wykorzysta saby kwas lub zasad, ktrych pH nie rni si od pH X wicej ni o 2 jednostki pH. Na rycinie 3-6 przedstawiono adunek eJekt-ryczny 1 czsteczki kwasu jako funkcj pH. adunek uamkowy 0,5 nie oznacza, e poje- dyncza czsteczka jest obdarzona adunkiem uamkowym, lecz wyraa statystyczne prawdopodobiestwo, e ma ona adunek 0,5. Przyjcie adunku elektrycznego makroczsteczek jako funkcji pH stwarza podstaw dla wielu uytecznych technik rozdziau, wczajc eiektroforetyczny rozdzia aminokwasw, biaek osocza i nieprawidowych hemogJobin. W komrkach ywych bufory fosforanowy i wodorowglanowy, oprcz biaczanowych, stanowi podstawowe bufory. PIMIENNICTWO Segel IM: Biochemical Calcuiations. Wiley, 1968. 3 Biochemia f 1,0- 2 3 4 5 6 7 8Pocztkowe pH [" ] pocztkowe [A f/[HA]kocowe Kortcowe pH ipH

33. CZ I Budowa oraz funkcje biaek i enzymw Aminokwasy 4 Victor W. Rodweli, PhD WPROWADZENIE ywe komrki wytwarzaj makroczsteczki (biaka, kwasy nukleinowe, polisacharydy), ktre su jako skadniki strukturalne, katalizatory, hormony, receptory lub magazyny informacji genetycznej. Te makroczsteczki s biopolime-rami, utworzonymi z jednostek monomerycz-nych lub cegieek budulcowych. Jednostkami monomerycznymi w kwasach nukleinowych s nukleotydy, w zoonych polisacharydach pochodne cukrowe, a w biakach L-a-amino-kwasy. Chocia biaka mog take zawiera poza aminokwasami, dodatkowe substancje (np. hem, cukrowce, tuszcze), ich trjwymiarow struktur i waciwoci biologiczne warunkuje w gwnej mierze rodzaj aminokwasw, kolejno, w jakiej cz si ze sob w acuchu polipeptydowym oraz ich przestrzenne uoenie,, wzgldemsiebie. Aminokwasy peni dodatkowe funkcje w komrkach. W tabeli 4-4 i 4-5 przedstawiono niektre biologicznie wane substancje, ktre wywodz si z aminokwasw. genne) musz by dostarczane w poywieniu, poniewa nasz organizm nie moe ich syn- tetyzowa w ilociach niezbdnych do pod- trzymania wzrostu (dzieci) i utrzymania zdrowia (doroli). Metabolizm aminokwasw przyczynia si do powstania wielu biomedycznie wanych zwizkw. Na przykad dekarboksyla-cja pewnych aminokwasw prowadzi do powstania amin, wrd ktrych cze peni wane funkcje biologiczne (np. histamina i kwas 7-a-minomasowy [GABA]). Liczne choroby s spowodowane nieprawidowociami transportu aminokwasw do komrek. W pewnych warunkach moe doj do pojawienia si w moczu znacznej iloci jednego lub wielu aminokwasw takie stany okrela si jako aminoacydurie. WSZYSTKIE AMINOKWASY ZAWIERAJ PRZYNAJMNIEJ 2 GRUPY FUNKCYJNE Aminokwasy zawieraj 2 grupy funkcyjne, tj. aminow i karboksylow. W a-aminokwasach obie te grupy poczone s z tym samym (a) ZNACZENIE BIOMEDYCZNE Niektre aminokwasy wydaj si by zaan- gaowane w przenoszeniu impulsw w ukadzie nerwowym, czego przykadem s glicyna i kwas glutaminowy. Aminokwasy podstawowe (egzo- H a R-C-NHj I COOH Dwie formy przedstawienia j.-amino- Ryc. 4-1. kwasu. OH

34. 36 / ROZDZIA 4 atomem wgla (ryc. 4-1). Chocia w przyrodzie wystpuje ok. 300 aminokwasw, tylko 20 z nich wystpuje w biakach (tab. 4-3). Ca- kowita hydroliza* biatek dostarcza 20 L-a-ami-nokwasw. Naley podkreli, e biaka wszystkich form ycia rolin, zwierzt, drobnoustrojw zawieraj te same 20 aminokwasw. Przyczyn tego jest uniwersalno kodu genetycznego, co stanie si oczywiste dla Czytelnika w toku omawiania tego zagadnienia pniej (p. rozdz. 30). W skad niektrych biaek wchodz pochodne aminokwasw, utworzone po ich wczeniu w czsteczk biaka (p. lab. 6-4). Z wyjtkiem glicyny, dla ktrej R (R a- cuch boczny aminokwasu) stanowi atomwodoru (ryc. 4-1), wszystkie 4 podstawniki zwizane z atomem wgla et-aminokwasw s rne. Tetrdryczne. uoenie 4 rnych podstawni- kw wok atomu wgla a (tzw. wgiel asymet- ryczny) nadaje aminokwasom waciwo op-.tyczna. (zdolnoTjio_ _skrcania . paszczyzny wiata spolaryzowanego). Chocia pewne aminokwasy wystpujce w biakach s prawo-skrtne, a niektre lewoskrtne, w pH 7,0 wszystkie maj bezwzgldn konfiguracj porwnywaln z konfiguracj aldehydu L-glicery-nowego, std opisuje si

biochemia harpera

Documents