© Copyright by Wydawnictwo czelej sp. z o.o., Lublin 2005

Wszystkie prawa zastrzeżone.

© Copyright by Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 2013

Wszystkie prawa zastrzeżone.

Przedruk i reprodukcja w jakiejkolwiek postaci całości bądź części książki bez pisemnej zgody wydawcy są zabronione.

Recenzent: dr hab. n. med. Maria Iskra

Redaktor prowadzący: Anna Milewska

Redakcja i korekta: Magdalena Marcewicz, Anna Milewska

Strony tytułowe zaprojektował: Paweł Kaniuk

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2013 r., (wyd. I)

Warszawa 2019

ISBN 978-83-200-5731-7

PZWL Wydawnictwo Lekarskie

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 695 43 21

www.pzwl.pl

Księgarnia wysyłkowa:

tel. 42 680 44 88; infolinia: 801 33 33 88

e-mail: wysylkowa@pzwl.pl

Skład wersji elektronicznej na zlecenie PZWL Wydawnictwa Lekarskiego: mobisfera.pl

SŁOWO WSTĘPNE

Biochemia, chemia życia, jest bardzo obszerną nauką. Studiujący mają różny zakres wiedzy chemicznej, która w dużym stopniu ułatwia naukę biochemii. Z tego powodu przedstawiana tematyka jednym studentom może wydawać się łatwa, innym bardzo trudna. Ci drudzy muszą poświęcić trochę więcej czasu na naukę biochemii, a wówczas ich wyniki będą równie dobre, jak tych pierwszych.

W pierwszej części podręcznika znajdują się główne zagadnienia wymagane w programie studiów pielęgniarskich licencjackich i magisterskich prowadzonych na wydziałach pielęgniarskich akademii medycznych, natomiast w drugiej części zamieszczono przepisy wybranych doświadczeń. Wykonywane przez studentów w czasie zajęć praktycznych, mogą one ilustrować i przybliżać omawiane zagadnienia.

Przy poznawaniu zagadnień biochemicznych konieczne jest korzystanie z dostępnych opracowań uwzględniających współczesne osiągnięcia nauki w tym zakresie. Pomocne w studiowaniu biochemii mogą być również wykłady przybliżające przemiany metaboliczne zachodzące w organizmie człowieka, ich wzajemne powiązania i zaburzenia.

„Im więcej będziemy wiedzieć, tym bardziej będziemy mogli pomóc” – powiedzenie to ma szczególne znaczenie dla studiujących nauki medyczne, bo przecież nie ma nic cenniejszego niż zdrowie i życie człowieka.

Życzę wielu sukcesów na studiach i satysfakcji ze zdobywanej wiedzy.
Prof. dr hab. n. med. Kazimierz Pasternak

Spis treści

SŁOWO WSTĘPNE

WPROWADZENIE

Podstawowe pojęcia chemiczne stosowane w biochemii

Rozdział 1. KOMÓRKA

Błona komórkowa

Jądro komórkowe

Mitochondria

Rybosomy

Siateczka endoplazmatyczna

Lizosomy

Peroksysomy

Rozdział 2. AMINOKWASY

Ogólne przemiany aminokwasów

Pula wolnych aminokwasów

Losy grupy aminowej

Cykl mocznikowy

Losy grupy karboksylowej

Przemiany szkieletów węglowych

Przemiana szczegółowa fenyloalaniny i tyrozyny

Przemiana szczegółowa metioniny i cysteiny

Aminokwasy dostarczające fragmentów jedno węglowych

Udział aminokwasów w innych reakcjach metabolicznych

Bloki metaboliczne w przemianach aminokwasów

Rozdział 3. PEPTYDY, BIAŁKA

Oligopeptydy

Polipeptydy

Białka

Białka

Właściwości białek

Metody rozdziału białek

Trawienie białek

Wchłanianie aminokwasów

Biologiczna rola białek

Bilans azotowy

Rozdział 4. KWASY NUKLEINOWE

Nukleotydy

Budowa kwasów nukleinowych

DNA

RNA

Informacja genetyczna

Przekazywanie informacji genetycznej do komórek potomnych

Przekazywanie informacji genetycznej do cytoplazmy

Biosynteza białka

Modyfikacje potranslacyjne

Rozdział 5. ENZYMY

Wpływ temperatury na aktywność enzymów

Wpływ odczynu środowiska na aktywność enzymów

Wpływ stężenia substratu i stężenia enzymu na szybkość reakcji enzymatycznej

Wpływ aktywatorów i inhibitorów na aktywność enzymów

Aktywność enzymów

Klasyfikacja enzymów

Oksydoreduktazy

Transferazy

Hydrolazy

Liazy

Izomerazy

Syntetazy (ligazy)

Rozdział 6. KOENZYMY

Rozdział 7. WĘGLOWODANY

Cukry proste

Cukry złożone

Właściwości cukrów

Trawienie i wchłanianie węglowodanów

Wchłanianie węglowodanów

Transport glukozy do komórki

Rola węglowodanów

Przemiana glukozy

Główne procesy przemian cukrów

Glikoliza

Glukoneogeneza

Cykl pentozowy

Glikogeneza

Glikogenoliza

Glikogenozy

Synteza laktozy

Przemiana fruktozy

Regulacja hormonalna poziomu glukozy we krwi

Rozdział 8. TŁUSZCZE

Tłuszcze właściwe

Tłuszcze złożone

Steroidy

Woski

Trawienie i wchłanianie tłuszczów

Lipoproteiny osocza

Zaburzenia przemiany lipoprotein

Spalanie kwasów tłuszczowych

Aktywacja

Transport do mitochondrium

Proces β-oksydacji

Bilans energetyczny β-oksydacji

Synteza kwasów tłuszczowych

Powstawanie nienasyconych kwasów tłuszczowych

Synteza tłuszczu właściwego

Synteza tłuszczu właściwego z glukozy

Synteza tłuszczów złożonych

Lipidozy (choroby spichrzeniowe lipidów)

Synteza cholesterolu

Rozdział 9. SKŁADNIKI MINERALNE

Makropierwiastki

Mikropierwiastki (pierwiastki śladowe)

Rozdział 10. PRZEWÓD POKARMOWY

Soki trawienne przewodu pokarmowego

Ślina

Sok żołądkowy

Sok trzustkowy

Żółć

Krążenie jelitowo-wątrobowe

Rozdział 11. UTLENIANIA BIOLOGICZNE

Łańcuch oddechowy

Teorie oksydacyjnej fosforylacji

Związki rozprzęgające oksydacyjną fosforylację

Inhibitory łańcucha oddechowego

Cykl Krebsa

Reakcje cyklu Krebsa

Oksydatywna dekarboksylacja α-ketoglutaranu

Cukrzyca

Cukrzyca młodzieńcza

Cukrzyca starcza

Zaburzenia metaboliczne w cukrzycy

Synteza ciał ketonowych

Aktywacja acetooctanu

Rozdział 12. WITAMINY

Podział witamin

WITAMINY ROZPUSZCZALNE W TŁUSZCZACH

Witamina A

Witamina D

Witamina E

Witamina K

Witamina F

WITAMINY ROZPUSZCZALNE W WODZIE

Witamina C

Witamina B1

Witamina B2 (witamina G)

Witamina B6

Witamina PP (witamina B3)

Kwas foliowy (witamina M)

Witamina B12

Witamina H

Kwas liponowy

Kwas pantotenowy (witamina B5)

Kwas paraaminobenzoesowy

Inozytol

WITAMINY KONTROWERSYJNE

Witamina B15

Witamina B17

Cholina

Witamina P

Witamina Q10

Witamina B13

Witamina T

Witamina U

Rozdział 13. HORMONY

Mechanizm działania hormonów

Hormony podwzgórza

Neurotransmittery

Hormony przysadki mózgowej

Tarczyca

Przytarczyce

Trzustka

Hormony wydzielane przez nadnercza

Rdzeń nadnerczy

Hormony płciowe żeńskie

Hormonalna regulacja cyklu miesiączkowego

Hormonalne środki antykoncepcyjne

Hormony płciowe męskie

Hormony tkankowe

Rozdział 14. SKŁAD PRAWIDŁOWEJ DIETY CZŁOWIEKA

Białka

Węglowodany

Tłuszcze

Składniki mineralne

Witaminy

Bilans energetyczny

Rozdział 15. KREW

Erytrocyty

Glikoliza w erytrocytach

Synteza hemu

Hemoglobina

Hemoglobinopatie

Degradacja hemoglobiny

Żółtaczki

Leukocyty

Trombocyty

Osocze

Składniki osocza organiczne

Składniki osocza nieorganiczne

Białka osocza

Krzepnięcie krwi

Fibrynoliza

Transport gazów przez krew

W tkankach

W płucach

Efekt Bohra

Bufory krwi

Rozdział 16. MIĘŚNIE

Mięśnie poprzecznie prążkowane

Synteza kreatyny

Mięśnie gładkie

Rozdział 17. TKANKA ŁĄCZNA

Struktury ścięgniste

Kości

Rozdział 18. GOSPODARKA FOSFORANOWO-WAPNIOWA

Kalcytonina

Parathormon

Witamina D

Rozdział 19. OSTEOPOROZA

Osteoporoza pierwotna

Osteoporoza wtórna

Rozdział 20. TKANKA NERWOWA

Przewodzenie nerwowe

Synapsy

Centralny układ nerwowy

Rozdział 21. WĄTROBA

Białka

Tłuszcze

Węglowodany

Procesy detoksykacji

Utlenianie i redukcja

Metylacja, acetylacja

Sprzęganie

Synteza

Rozdział 22. NERKA

Kanalik kręty I rzędu

Kanalik kręty Il rzędu

Wydalanie amoniaku

Zakwaszanie moczu

Działanie hormonów

Mocz fizjologiczny

Próg nerkowy

Klirens nerkowy

Mocz patologiczny

Białko

Krew

Cukier

Ciała ketonowe

Bilirubina

Rozdział 23. GOSPODARKA WODNO-ELEKTROLITOWA

Bilans wodny

Rozdział 24. RÓWNOWAGA KWASOWO-ZASADOWA

Kwasica oddechowa

Kwasica metaboliczna

Zasadowica oddechowa

Zasadowica metaboliczna

Rozdział 25. CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA

Zasady bezpieczeństwa w laboratorium

Ogólne zasady pracy w laboratorium:

Aminokwasy, peptydy

Reakcja biuretowa (Piotrowskiego)

Reakcja ksantoproteinowa

Reakcja Miliona

Reakcja cystynowa

Reakcje z solami miedzi (jonami Cu2+)

Białka

Działanie wysokiej temperatury

Działanie soli metali ciężkich

Działanie silnych kwasów

Działanie rozpuszczalników organicznych

Wysalanie

Dializa

Charakterystyka białka złożonego - mucyny

Enzymy

Badanie warunków działania amylazy

Węglowodany

Reakcja Molischa

Reakcja Fehlinga

Reakcja Nylandera

Reakcja Barfoeda

Reakcja Seliwanowa

Reakcja z jodem

Hydroliza skrobi

Tłuszcze

Rozpuszczalność tłuszczów

Próba akroleinowa na glicerol

Wykrywanie cholesterolu

Enzymatyczne trawienie tłuszczów

Liczba kwasoty

Hormony, witaminy, składniki mineralne

Wykrywanie androsteronu (reakcja Zimmermanna)

Ilościowe oznaczanie witaminy C

Ilościowe oznaczanie wapnia

Ilościowe oznaczanie magnezu w materiale biologicznym

Trawienie

Wykrywanie składników żółci

Wykrywanie kwasów żółciowych

Wykrywanie bilirubiny

Wykrywanie cholesterolu

Oznaczanie aktywności amylazy ślinowej (metoda Vohlgemutha)

Oznaczanie kwasoty soku żołądkowego

Badanie deficytowego soku żołądkowego

Krew

Wykrywanie niektórych składników krwi

Ilościowe oznaczanie białka całkowitego w surowicy krwi

Oznaczanie kwasu moczowego

Ilościowe oznaczanie glukozy metodą enzymatyczną

Ilościowe oznaczanie mocznika

Mocz fizjologiczny

Wykrywanie składników nieorganicznych moczu

Wykrywanie składników organicznych moczu

Mocz patologiczny

Białko w moczu (proteinuria)

Cukier w moczu (glukozuria)

Wykrywanie ciał ketonowych

Wykrywanie bilirubiny

Wykrywanie krwi

Rozdział 26. ZAGADNIENIA Z BIOCHEMII

WPROWADZENIE

Podstawowe pojęcia chemiczne stosowane w biochemii

Biochemia (z greckiego bios – to znaczy życie), czyli chemia życia, jest nauką zajmującą się budową chemiczną organizmów żywych i procesami chemicznymi, którym te składniki podlegają.

Metabolizm – całość zachodzących procesów chemicznych. Wszystkie procesy zachodzą w podstawowej jednostce budującej organizmy żywe, jaką jest komórka.

Atom – najmniejsza jednostka budowy pierwiastka chemicznego. Składa się z jądra, które stanowią protony i neutrony, oraz elektronów otaczających i poruszających się wokół jądra.

Pierwiastek – substancja prosta składająca się z atomów o tej samej liczbie protonów (o tej samej liczbie atomowej).

Związek chemiczny – substancja jednorodna składająca się z co najmniej dwóch pierwiastków, które połączone są między sobą wiązaniami chemicznymi.

Stężenie procentowe roztworu oznacza liczbę gramów substancji rozpuszczonej zawartej w 100 g roztworu.

Mol – ilość substancji zawierająca taką samą liczbę cząsteczek (atomów), jaka znajduje się w 0,012 kg czystego izotopu węgla 12C.

Stężenie molowe wyraża liczbę moli substancji rozpuszczonej w 1 dm^3 roztworu.

pH określamy jako ujemny logarytm dziesiętny ze stężenia jonów wodorowych. Roztwory obojętne mają pH = 7, kwaśne pH < 7, a zasadowe pH > 7.

Bufory są to mieszaniny słabych kwasów lub słabych zasad z ich solami. Zasadniczym zadaniem buforów jest utrzymywanie stałego pH. Przy dodaniu do buforu kwasu lub zasady jego pH zmienia się bardzo nieznacznie do momentu, kiedy wyczerpana zostanie pojemność buforowa.

Rozdział 1 KOMÓRKA

W strukturze komórki można wyróżnić błonę komórkową, która otacza komórkę, oraz organella komórkowe. Zalicza się do nich jądro komórkowe, mitochondria, rybosomy, lizosomy i siateczkę endoplazmatyczną. Wszystkie te struktury znajdują się w cytoplazmie, która umożliwia wymianę składników i informacji między organellami komórkowymi.

Błona komórkowa

Błona komórkowa (błona cytoplazmatyczna) otacza komórkę, zapewniając integralność środowiska wewnętrznego. Oddziela ona środowisko wewnętrzne od zewnętrznego, umożliwiając jednocześnie komunikowanie się ze światem zewnętrznym. Jest to możliwe dzięki warstwowej budowie błony komórkowej, w której skład wchodzą głównie białka i lipidy. Według modelu singera struktura białkowo-lipidowa błony komórkowej jest utrzymana w formie „płynnej mozaiki”. Umożliwia to spełnianie funkcji zarówno izolacji środowiska wewnętrznego, jak i pełnej wymiany ze środowiskiem zewnętrznym. Błona komórkowa zbudowana jest w ten sposób, że warstwę zewnętrzną i wewnętrzną tworzą białka, natomiast środkowa składa się z dwóch warstw lipidowych, które stanowią jakby zrąb błony komórkowej. Są one ułożone stronami hydrofobowymi do siebie, natomiast strony hydrofilowe skierowane są na zewnątrz, w kierunku warstw białkowych.

Ryc. 1. Schemat budowy komórki

Zarówno białka, jak i lipidy błony komórkowej są w niej rozmieszczone asymetrycznie. Lipidy stanowią część „usztywniającą” błony komórkowej; największą rolę odgrywa tu cholesterol. Płynność warstwy lipidowej jest tym większa, im więcej zawiera ona tłuszczów z nienasyconymi kwasami tłuszczowymi. Białka ułożone są w ten sposób, że ich części hydrofobowe skierowane są w stronę wnętrza błony lipidowej, natomiast części polarne - w strony hydrofilowe błony komórkowej. W związku z płynną strukturą błony komórkowej białka mogą być zlokalizowane w jej wnętrzu, mogą przenikać część błony z wnętrza w strony hydrofilowe (zewnętrzną i wewnętrzną) lub mogą być przeszywające, przechodząc całą grubość błony.

Białka błony komórkowej zazwyczaj zbudowane są z kilku podjednostek i spełniają różne funkcje. Możemy zatem wyróżnić:

• białka integralne, których bieguny hydrofilne są ustawione na zewnątrz błony,

• białka nośnikowe, tworzące kanały aktywnego transportu cząsteczek przez błonę komórkową,

• białka tworzące kanały jonowe,

• białka receptorowe, wiążące swoiście cząsteczki chemiczne, zwane ligandami, takie jak przekaźniki chemiczne i inne substancje występujące w płynie zewnątrzkomórkowym.

Dzięki takiej strukturze błona komórkowa jest wprawdzie odizolowana od środowiska, jednakże zachowuje z nim kontakt i możliwość wymiany substancji. Woda oraz małe cząsteczki (np. jony K+) mogą swobodnie dyfundować przez błonę, podczas gdy duże cząsteczki przez nią nie przechodzą. Plazmolemma jest zatem półprzepuszczalna. Szereg większych, a nawet bardzo dużych cząsteczek (np. jony Na+, cukrowce, aminokwasy, białka) przenika przez błonę dzięki odpowiednim przenośnikom (nieraz na drodze skomplikowanych procesów). Niektóre z tych pierwiastków i związków komórka pobiera „chętnie”, innych zaś nie pobiera wcale. Plazmolemma decyduje zatem także o wybiórczości komórek.

Jądro komórkowe

Wewnątrz komórki, w cytoplazmie, znajduje się jądro komórkowe (po raz pierwszy opisane przez Browna w 1931 roku). Jest ono strukturą dużą, przeciętnie o średnicy 5-10 µm. Otoczone jest podwójną błoną, zwaną otoczką jądrową (kariolemmą), mającą liczne otwory, tzw. pory, o średnicy od 20 do 200 nm. Zawartość jądra (czyli karioplazma) komunikuje się przez nie z cytoplazmą. Głównym składnikiem jądra komórkowego jest DNA (kwas deoksyrybonukleinowy), ciasno owinięty helikalnie wokół białek histonowych i zorganizowany w kompleksy stanowiące chromosomy.

W jądrze komórkowym występują owalne bądź okrągłe twory, zwane jąderkami, w liczbie od jednego do kilku. Również zbudowane są z nukleoproteidów. W jąderku zachodzi synteza rybosomalnego kwasu rybonukleinowego (rRNA).

Jądro komórkowe jest strukturą złożoną, o przynajmniej trojakiej funkcji:

1) zawiera informację genetyczną zakodowaną w DNA,

2) steruje biosyntezą białka,

3) przekazuje informację genetyczną komórkom potomnym w procesach podziałów.

Mitochondria

Są to organella komórkowe o wydłużonym kształcie. Osiągają wielkość rzędu 1 µm (długość do 5 µm). Liczba mitochondriów w komórkach waha się przeważnie od kilku do kilkuset, w zależności od intensywności zachodzących w nich procesów metabolicznych. W budowie mitochondriów możemy wyróżnić cztery główne elementy:

• błonę zewnętrzną, która jest błoną cytoplazmatyczną oddzielającą mitochondrium od innych części komórki; dzięki obecności białka - poryny - jest bardziej przepuszczalna niż błona wewnętrzna;

• tzw. kompartment zewnętrzny zawarty między błoną zewnętrzną a wewnętrzną;

• błonę wewnętrzną, tworzącą liczne grzebienie wnikające do światła mitochondrium; zachodzą tu procesy fosforylacji oksydatywnej, czyli powstawania ATP;

• macierz (matriks), będącą koloidalnym roztworem białek, o składzie chemicznym podobnym do składu protoplazmy, również zawierającej łańcuch DNA (koduje niektóre białka mitochondrialne) i rybosomy; jest to miejsce utleniania kwasów tłuszczowych i przebiegu cyklu kwasu cytrynowego.

Mitochondria są zatem jak gdyby „siłowniami” komórki. Wytworzona w nich w procesie oksydatywnej fosforylacji energia dostarcza ciepła, a jej część zostaje zmagazynowana w postaci wiązań wysokoenergetycznych ATP.

Rybosomy

Rybosomy odgrywają zasadniczą rolę w procesie biosyntezy białka, w nich bowiem odbywa się proces translacji. Zbudowane są z rybonukleoproteidu, którego zasadniczy składnik, obok białek, stanowi rRNA (rybosomalny kwas rybonukleinowy). Rybosomy są ziarnistościami zbudowanymi z dwóch podjednostek: mniejszej - 40S i większej - 60S.

Siateczka endoplazmatyczna

Jest siecią połączonych ze sobą pęcherzyków błonowych, przeważnie spłaszczonych w cysterny. Dzieli się na dwie odrębne części. Szorstkie retikulum endoplazmatyczne (RER) ma od strony cytozolowej przyłączone rybosomy, które są miejscem biosyntezy białek błonowych i sekrecyjnych. W świetle RER występują enzymy przeprowadzające potranslacyjną modyfikację (glikozylację, proteolizę i inne) białek zarówno błonowych, jak i selerecyjnych. Gładkie retikulum endoplazmatyczne (SER), pozbawione rybosomów, jest miejscem biosyntezy fosfolipidów; zachodzi w nim wiele reakcji detoksykacyjnych.

Lizosomy

Są to organelle komórkowe kulistego kształtu o średnicy 0,2-0,4 um, otoczone pojedynczą błoną cytoplazmatyczną. Zawierają enzymy hydrolityczne, rozkładające substancje organiczne w środowisku wodnym. Podstawową funkcją lizosomów jest trawienie substancji wewnątrz- i zewnątrzpochodnych, które zetkną się z ich błoną. W szeregu wyspecjalizowanych komórek lizosomy związane są także z takimi procesami, jak wydzielanie, trawienie pozakomórkowe, obrona komórki przed czynnikami inwazyjnymi. Biologiczne znaczenie tych organelli można sprowadzić do biologicznej roli zawartych w nich enzymów. Jest to zestaw hydrolaz zdolnych do strawienia wszystkich składników komórkowych. Dostęp tych enzymów do wewnątrzkomórkowych substratów uniemożliwia błona lizosomalna. Jej uszkodzenie powoduje uwolnienie enzymów oraz samostrawienie komórki.

Peroksysomy

Są to organelle komórkowe o owalnym kształcie i średnicy 0,6-0,7 µm, otoczone pojedynczą błoną; wewnątrz mogą zawierać tzw. rdzeń. W peroksysomach stwierdzono obecność licznych enzymów, głównie oksydaz i katalaz. Peroksydaza i katalazy rozkładają nadtlenek wodoru zgodnie z reakcją:

H_2O_2 → H_2O + ½ O_2

Nadtlenekwodoru jest substancją szkodliwą dla organizmu żywego, więc jego obecność jest niepożądana. Peroksysomy pełnią zatem rolę odtruwającą. Ich liczba uzależniona jest od tego, czy w danej komórce w toku przemian metabolicznych powstaje nadtlenek wodoru i w jakiej ilości. W organizmie człowieka znaczna liczba peroksysomów występuje w komórkach wątrobowych – tutaj zachodzą bowiem najbardziej zróżnicowane przemiany metaboliczne, między innymi utlenianie kwasu moczowego i aminokwasów, w których to reakcjach powstaje nadtlenek wodoru.