BASÅRET KEMI B BIOKEMI VT 2012

Transkript

1 BASÅRET KEMI B BIOKEMI IngMarie Nilsson Biokemi och biofysik Plan 4 Rum 425 Tel. nr: E-post: ingmarie@dbb.su.se

2 LABBAR Lab 11. Amylas lab Rum: K232/242 Huvudansvarig: Gabriela Danielsson Grupp 11, 12: 3 maj kl Grupp 13, 21: 4 maj kl Grupp 22, 23: 10 maj kl Lab 12. DNA lab Rum: M332/340 Huvudansvarig: Patrik Björkholm Grupp 11, 12: 11 maj kl Grupp 13, 21: 24 maj kl Grupp 22, 23: 25 maj kl Lab-assistenter: Karin Skaar Viktor Granholm Nadja Eremina Patrik Björkholm Gabriela Danielsson Johannes Björnerås Emelie Svahn Charlotta Andersson E-post: Amylas lab nr. 11 amylaslabb@gmail.com DNA (plasmid) lab nr. 12 plasmidlabb@gmail.com Biokemi och Biofysik, Plan 4

3 SCHEMA Kurslitteratur: Modell och verklighet Kemi B Kap 5 (7) Livets molekyler och reaktioner - biokemi 26 april 9-12 Celler och membran Introduktion till biokemi och cellen s ( ) Cellen och liv, cellens organisation: prokaryota och eukaryota celler, organeller, aminosyror, peptider och proteiner 26 april maj maj Proteiner och enzymer 3D struktur och funktion s ( ) Den hydrofoba effekten, enzymer, proteinrening och karakterisering Genetisk information s ( ) Replikation, transkription och translation Genteknik och bioteknik Intro till cellens och organismers metabolism s ( ) Lipider och biologiska membraner Kolhydrater, anabolism och katabolism, ATP 24 maj Metabolism s ( ) Kolhydratmetabolismen, lipidmetabolism, aminosyrametabolism Energimetabolism i mitokondrier och i kloroplaster

4 CELLER OCH MEMBRAN (sid ) Vad är biokemi? Från Bios som betyder liv dvs biokemi är läran om livets kemi Biokemi handlar om cellen och de kemiska reaktioner, som sker i cellen

5 Vad är liv? levande organismer har en viss komplexitet och organisation levande organismer kan extrahera energi från omgivning, som sedan kan omvandlas till att driva olika reaktioner levande organismer kan föröka sig

6 Cellen är den minsta enhet, som vi förknippar med liv och liv kan således definieras av cellens egenskaper. Bakterier är de minsta organismerna på jorden och består av en enda cell Människan består av celler, som dessutom är av olika slag Virus är inte levande celler, de kan inte föröka sig själva.

7 Egenskaper, som alla celler har gemensamt: Röda blodkroppar Djur eller växtcell Bakterie Cellen utgör en behållare dvs omges av biologiska membran, som består av lipider och proteiner Cellen består av: vatten, proteiner, nukleinsyror samt kolhydrater, lipider, organiska och oorganiska föreningar I cellen sker mer än 1000 reaktioner, där de flesta katalyseras av enzymer Cellen kan bilda en exakt kopia av sig själv

8 Vad består en cell av? vatten 70 % protein 15 % nukleinsyra 7 % kolhydrater 3 % lipider 2 % lågmolekylära föreningar (byggstenar mm) 2 % joner 1 %

9 Atomer och makromolekyler Den vanligaste atomen hos levande organismer är kol, C. Atomerna C, H, O, N, S m.fl. bildar i levande celler huvudsakligen fyra olika typer av biologiska sk. makromolekyler proteiner nukleinsyror lipider kolhydrater makromolekyler innebär molekylmassor på och upp till flera miljoner, jfr H 2 O = 18

10 Celler är av två typer Prokaryoter små Eukaryoter större 1-10 µm µm har DNA, men ingen cellkärna har DNA inneslutet i cellkärna har andra sk. organeller bakterier djurceller, växtceller (eubakterier och och många andra hör hit arkebakterier) Eu, pro och karyon kommer från grekiskan och betyder sann, före och kärna

11 PROKARYOTER Ribosomer DNA Pili och flagella för kontakt och rörelse Plasmamembran och cellvägg Bakterie

12 Djurcell ribosomer peroxisom EUKARYOTER lysosom golgi VARFÖR ORGANELLER? endoplasmatiska nätverket kärna ribosomer mitokondrie plasmamembran golgi kloroplast cellvägg Växtcell vakuol

13 ORGANELLER I eukaryota celler finns många olika membranomslutna inre rum, som är specialiserade på olika saker. Dessa kallas organeller. cellkärna Här finns DNA. Många processer, som rör information sker här. mitokondrie Kraftstation, huvudsaklig energiutvinning sker här. Citronsyracykeln, andningskedjan och β-oxidationen. endoplasmatiska nätverket Syntes av proteiner, som ska exporteras. Syntes av lipider. golgi Förpackning och adressering av nygjorda proteiner.

14 runt organellerna finns cytosolen, som i sin tur omsluts av plasmamembranet plasmamembranet Fysisk barriär. Här finns transportörer, som bestämmer vad som ska in eller ut ur cellen, men också receptorer, som tar emot signaler cytosol (cytoplasma) En halvflytande vätska, full av proteiner och andra molekyler, som fyller cellen. Ribosomer för syntes av proteiner. Glykolysen, fettsyrasyntes.

15 I växtcellen finns också andra organeller kloroplast Tar upp solljus och omvandlar det till kemiskt användbar form vakuol Stor vätskefylld säck. Här sker nedbrytning av allt möjligt, som cellen vill göra sig av med. Röda färgämnen hos blommor och frukter finns ofta i vakuolen. cellvägg Mekaniskt stöd och skydd för cellen. Bakterier har också cellväggar.

16 Levande celler kännetecknas av effektivitet och precision E. coli cell En liten enkel bakterie har en fördubblingstid på 20 minuter olika molekyler ska tillverkas. Tusentals av varje. I exakt rätt mängd och vid rätt tillfälle. bakterie Hur är detta möjligt?

17 Makromolekyler - är linjära polymerer uppbyggda av ett fåtal olika molekyler (byggstenar) Katalysatorer - alla reaktioner i en cell katalyseras av mkt effektiva katalysatorer - enzymer Nyckelsteg - kontrolleras mha olika typer av signalering t.ex. feed-back Information - tillgången till en ritning i form av DNA

18 MAKROMOLEKYLER DNA (nukleinsyra) är långa kedjor av nukleotider nukleotid proteiner är långa kedjor av aminosyror aminosyra membraner består av lipider de flesta lipider är aggregat av fettsyror fettsyra cellväggar växternas cellväggar består av cellulosa de flesta kolhydrater är långa kedjor av glukos glukos

19 Hur transporteras/exporteras proteiner ut ur cellen? PROTEINSYNTES OCH EXPORT Det endomembrana systemet Kärnan - replikation kopiering och transkription läser av DNA till RNA Endoplasmatiska nätverket - syntetiseras polypeptidkedjorna mha ribosomen Vesiklar - transporteras i vesiklar till golgi genom golgi ut till plasmamembranet Export ut ur cellen - sker genom sk exocytos Import in i cellen - sker genom sk endocytos

20 PROTEINER Aminosyror, peptider & proteiner Proteinerna i en cell ger cellen dess speciella egenskaper Proteiner svarar för funktion och dynamik Protein kommer från grekiska protos som betyder först

21 Två viktiga begrepp Genom Proteom Allt DNA i en cellär det samma i alla celler hos en organism Alla proteinerna i en cell varierar mellan olika celler i en organism

22 Proteiner gör allt överallt katalys - enzymer kommunikation - receptorer transport - hemoglobin försvar - antikroppar mekaniskt arbete - muskler strukturella funktioner - hår etc. etc. etc.

23 Proteiner är uppbyggda av aminosyror 20 st olika aminosyror (aa) kan ingå i ett protein generell struktur av en aa R= funktionell grupp R-gruppen ger aa dess egenskaper

24 Nästan alla aminosyror har en spegelbild spegelplan Alla aa (utom glycin) har ett stereogent centrum, dvs. en kolatom till vilket fyra olika grupper är bundna Alla aa i proteiner är L-aminosyror

25 De 20 aminosyrorna kan delas in i olika grupper pga av karaktären hos R-gruppen + H3 N-CH-COO - Opolära: t.ex -CH 3 R Polära men oladdade: -CH 2 -OH; -CH 2 -SH Asn 1806 Thr 1938 Aromatiska Polära, positivt laddade: -(CH 2 ) 4 -NH 3 + Polära, negativt laddade: -CH 2 -COO -

26 Numrering av kolatomerna i en aminosyra α alfa β Beta γ Gamma δ Delta ε Epsilon

27 Två aminosyror kan bindas ihop via en kovalent sk peptidbinding Kondensation N-terminal alt. Amino terminal C-terminal alt. Karboxyl terminal Peptidbindning ej fri rörlighet i bindningen, plan struktur

28 Aminosyror kopplas ihop till peptider mha peptidbindingar sidokedja ryggrad 5 aa = pentapeptid C-terminal N-terminal Ser - Gly - Tyr - Ala - Leu S - G - Y - A - L 3-bokstavsförkortning 1-bokstavsförkortning

29 peptider 2 till aminosyror t.ex oxytocin (9 a.a) polypeptidkedjor proteiner aminosyror och uppåt (Oftast inte längre än ca. 500) 1 eller flera polypeptidkedjor peptider och proteiner skrivs ofta som sina aminosyrasekvenser med 1-bokstavsförkortningar MSSRLKLPYFGAAHGGANLLFDERKLLALPEKCLAFI.. (kallas också primärstruktur, se nedan)

30 De långa kedjorna bildar en specifik tredimensionell (3D) struktur En struktur måste vara korrekt för att proteinet ska fungera

31 Två proteiner med olika många polypeptidkedjor/subenheter Myoglobin består av 1 polypeptidkedja - 1 subenhet Hemoglobin består av 4 polypeptidkedjor - 4 subenheter

32 Proteiner kan delas in i tre klasser, 1. Globulära proteiner sfäriska, kompakta och vattenlösliga t.ex. hemoglobin, myoglobin 2. Fibrösa proteiner fibrösa, trådlika och ej vattenlösliga t.ex. keratin, silke 3. Membran proteiner sitter bundna i biologiska membraner t.ex. insulin receptor men..

33 också i fyra strukturella nivåer 1. Primärstruktur 2. Sekundärstruktur 3. Tertiärstruktur 4. Kvaternärstruktur (Gäller ej alla proteiner) Från aminosyrasekvensen till slutlig struktur Dessa nivåer underlättar beskrivandet av komplexa molekyler

34 Primärstrukturen beskriver aminosyrasekvensen i proteinet NH 3 + Gly Leu Val Pro Gly Phe Cys Cys Thr Arg Glu Leu Leu Tyr Trp Val Ser Leu Ala Iso Phe Asn Lys Leu Gln Pro Gly Leu Leu Cys Thr His COOH dvs. vilka aminosyror, som ingår och i vilken ordning de sitter

35 Svavelbryggor Om proteinet innehåller två eller flera cysteiner, så kan det bildas cystinbryggor/svavelbryggor Svavelbrygga primärstrukturen beskriver även var i proteinet ev. svavelbryggor sitter NH 3 + Gly Leu Cys Pro Gly Phe Cys COOH

36 HÅRPERMANENT en biokemisk ingenjörskonst Hår är uppbyggt av proteinet keratin. Keratin innehåller många cysteiner, som kan bilda svavelbryggor Är permanenten permanent?

37 Sekundärstrukturen beskriver hur peptidkedjan är vriden i rymden Två vanligt förekommande sekundära strukturer är: α-helix/spiral β-sheet/struktur/flak

38 α-helix/spiral Kedjan stabiliseras av vätebindingar mellan vätet i en peptidbinding och syret i en annan i nästa varv. R-gruppen är utåt. 3,6 aminosyror/varv Hög stabilitet och många väte-bindningar!

39 β-sheet/struktur Två bitar av en kedja binder till varandra. Stabiliseras av vätebindingar mellan vätet i en peptidbinding och syret i en annan. Kan bilda stora skikt. antiparallel parallel Har också hög stabilitet och många väte-bindningar!

40 Fibrösa (fiberliknande) proteiner - bildar olika strukturer bara α-helix struktur bara β-struktur hår silke

41 De flesta proteiner är sfäriska, de kallas globulära Kan innehålla både α-helix och β-struktur bara α-helix både α-helix och β-struktur myoglobin lysozym

42 Membranproteiner innehåller både α-helix och β-struktur De har både polära och opolära ytor endast α-helix i membranet Fotosyntetiska reaktionscentret från en purple purpurfärgad bakteria - första strukturen av ett membranprotein (11 TMs från tre av fyra subenheter) opolära kolvätekedjor i membranet opolära R-grupper i proteinet β-barrel tunna, med bara β-struktur β-struktur

43 Tertiärstrukturen beskriver polypeptidens 3-dimensionella rymdstruktur den tertiära strukturen stabiliseras av olika icke kovalenta bindningar: F+I+L van der waahls krafter vätebindningar jonbindningar S+N samt kovalenta bindningar: svavelbryggor K+D C+C

44 Tertiärstrukturen av myoglobin (finns i blodet hos dykande däggdjur - proteinet binder och transporterar O 2 ) Fe innehållande hemgrupp globulärt, fibröst eller membranprotein? typ av sekundärstruktur?

45 Tertiärstrukturen av lysozym Lysozym finns i tårvätskan hos människa Lyserar/bryter ner cellväggen hos bakterier Består av 129 a.a. Stabiliseras bl.a. av fyra svavelbryggor. typ av sekundärstruktur?

46 Fibrösa proteiner Kollagen helix Skin, ben, tänder mm Keratin helix Hår, naglar klövar och hovar Upprepning var sjunde aminosyra En glycin var tredje aminosyra Väte-bindningar mellan helixarna Består av Van der Waals krafter och jonbindningar

47 Spindelväv (silke) - starkt, som stål och elastiskt Ordnade β-strukturer (styrka) tillsammans med oordnade α-helixar och β-böjar ger flexibilitet. Ex tennisrack av fiberglas

48 Kvartenärstrukturen Beskriver hur polypeptidkedjorna sitter i förhållande till varandra Många proteiner består av flera polypeptidkedjor Hemoglobin varje subenhet innhåller en hemgrupp, som kan binda O 2 Hur många polypeptidkedjor (subenheter)?

49 FYRA NIVÅER AV PROTEIN STRUKTUR 1. Primärstruktur 3. Tertiärstruktur NH 3+! Gly! Leu! Val! Pro! Gly! Phe! Cys! COOH! Aminosyrasekvensen 2. Sekundärstruktur 3D strukturen av en polypeptid 4. Kvaternärstruktur 3D strukturen av flera polypeptidkedjor i ett protein α-helix β-struktur/flak

50 TACK! Vi ses efter lunch.