Preview:
DESCRIPTION
Citation preview
- 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 tu- maczenia 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 wie- dzy, postanowiono
wczy do wydania 22. dwa nowe rozdziay z wydania 23. (Erytrocyty i
leukocyty" oraz Podoe biochemiczne nie- ktrych 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 wszy-
stkich Wsptumaczy za trud woony w tu- maczenie poszczeglnych
rozdziaw. Pragn podkreli, e tumaczenie ksiki natrafiao na due
trudnoci w zakresie mianownictwa bio- chemicznego, 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 cho- rb, 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 mo- liwie najnowszej wiedzy biochemicznej, potrzeb-
nej przy studiowaniu medycyny oraz 2) dostar- czenie 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
kse- nobiotykw". 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 komr-
kach ludzkich ma charakter enzymatyczny, jest istotne zapoznanie si
z waciwociami en- zymw 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
po- szczeglnych zwizkw nalecych do wymie- nionych klas czsteczek. W
dziale III omwiono poszczeglne amino- kwasy 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 regu-
lacji 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 roz- dziaw, 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 reak- cjami 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 bio- chemii, bd w stanie
skonfrontowa zarwno w praktyce, jak i w pracy badawczej 2 pod-
stawowe 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 organiz- mu
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 ko- mrki. 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 pod- staw 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 molekular- nych 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 biomedycz- nych bd
zainteresowani zwaszcza biochemi 2 ostatnich grup. Naley jednak
doceni rw- nie biochemi mniej skomplikowanych form ycia, czsto
bezporednio zwizan z bioche- mi czowieka. Ma przykad wspczesne
teorie regulacji aktywnoci genw i enzymw u ludzi emanuj z
pionierskich bada dotyczcych dro- dy piekarskich i bakterii.
Dziedzina rekom- binacji 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 od- powiedzialnych 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
genety- cznych 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 bio- chemii i fizjologii,
zwaszcza e wikszo le- kw jest metabolizowana w reakcjach katalizo-
wanych enzymatycznie, a skomplikowane in- terakcje pomidzy lekami
najlepiej zrozumie za pomoc biochemii. Trucizny oddziauj na rea-
kcje i procesy biochemiczne i to jest domen toksykologii.
Biochemiczne podejcie znajduje coraz wicej zastosowania w badaniu
podsta- wowych aspektw patologii (nauki o choro- bach), 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 pierw- szej. Jak dugo postpowanie lekarskie bdzie mocno
zakorzenione w gruntownej znajomoci biochemii oraz innych
pokrewnych nauk pod- stawowych (np. fizjologii, mikrobiologii,
ywie- nia), tak dugo medycyna praktyczna bdzie miaa racjonaln
podstaw do zastosowania coraz to nowych osigni wiedzy. Kontrastuje
to jaskrawo z kultem niekonwencjonalnej me- dycyny, 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 bar- dzo 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 od- ywiania 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 proce- sach. Gwne czynniki odpowiedzialne
za po- wstawanie chorb u ludzi i zwierzt s wymie- nione w tab. l-l.
Wszystkie one mog wpyn na jedn lub wicej zmian chorobotwrczych w
reakcjach chemicznych lub molekuach or- ganizmu. 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 cho- robom, diagnozie i leczeniu chorb. Wiele do- wodw
na to mona znale w kolejnych roz- dziaach tej ksiki. Jednake na tym
etapie, w celu zilustrowania ogromu przedmiotu i zain- teresowania
nim Czytelnika, wydaje si nie- zbdne podanie 7 krtkich przykadw. 1.
Czowiek musi pobra pewn liczb zoo- nych 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 wita- min 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 ludz- kich jest gwnym wsplnym
problemem bio- chemikw 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 wita- min, jak
i te spowodowane niedoborem istot- nych 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 enzy- mu,
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 biochemicz- nych.
TA KSIKA POMOE POWIZA WIEDZ Z ZAKRESU BIOCHEMII Z PROBLEMAMI
KLINICZNYMI Kocowy rozdzia podsumowuje wiele kon- cepcji,
pojawiajcych si w tekcie, dotyczcych powizania biochemii z
patologi. Przykadami s tutaj take mechanizmy biochemiczne dziaa-
jce w poszczeglnych chorobach, ktre powo- duje kada z 8 przyczyn
wymienionych w tab. 1-1. W suplemencie omwiono rwnie pod- stawowe
rozwaania stosowane podczas inter- pretacji wynikw biochemicznych
testw labo- ratoryjnych wykonywanych rutynowo w prak- tyce
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 od-
niesieniu 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 przedstawie- nie 5
zagadnie istotnych dla zrozumienia bio- chemii oraz wskazania
gwnych kierunkw pomagajcych w przyswojeniu wiedzy niniej- szego
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 pro-
blemami. 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 zoo- ne czsteczki znaleziono rwnie wrd ni-
szych 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 przed- stawiono w tab. 2-3. Gwne jego
komponenty to: biaka, tuszcze, wglowodany, woda i skad- niki
mineralne. Woda stanowi gwny skadnik, cho jej ilo waha si w
szerokim zakresie wrd rnych tkanek. Polarny charakter i zdol- no
tworzenia wiza wodorowych czyni wo- d idealnym rozpuszczalnikiem w
organizmie. Szczegowe znaczenie waciwoci wody zo- stanie
przedstawione w rozdz. 3. Tabela 2-3. Prawidowy skad chemiczny
czowie- ka 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 organi- czne komrek i tkanek.
Kwasy nukleinowe, biaka i polisacharydy s biopolimerami zbudowanymi
z poniej przedstawionych jednostek budulco- wych. Lipidw oglnie nie
zalicza si do bio- polimerw 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 komr- kach (np, enzymy, ele- menty
kurczliwe) Polisacha- Glukoza Krtkotrwae magazy- rydy nowanie
energii w po- (glikogen) staci glukozy Lipidy Kwasy tu- Rnorodne,
np. ska- szczowe dniki bon komrko- wych, dugotrwae magazynowanie
ener- gii w postaci triacylo- gliceroli 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 elektro- nowego ujawnio wiele
nie znanych wczeniej lub sabo widocznych skadnikw komrko- wych,
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 ba- dania rnorodnoci jej funkcji.
Hepatocyt za- wiera gwne organelle wystpujce w komr- kach
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 izo- lowania okrelonej organelli (czy czsteczek) stanowi
jej ekstrakcja z komrek, w ktrych si znajduje. W wikszoci organelle
i biomolekuy s nietrwae i trac biologiczn aktywno; mu- sz wic by
ekslrahowane w warunkach agod- nych (np. stosowanie roztworw
wodnych i po- zbawionych ekstremalnych wartoci pH, ci- nienia
osmotycznego i wysokich temperatur). Rzeczywicie, wikszo metod
izolowania or- ganelli wykorzystuje temp. 0 4C (tj. w cho- dni lub
utrzymywanie badanego materiau w pojemnikach z lodem). Znaczna
utrata ak- tywnoci 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 sa- charozy (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 or- ganelle
(lub bioczsteczk) z komrek, najpierw naley rozbi komrki w agodnych
warun- kach. 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 rea- kcje 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 dostar- cza 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 ba-
da w mikroskopie elektronowym oraz analizy aktywnoci odpowiednich
enzymw znacz- nikw (ang, markerw) i skadnikw chemicz- nych (np. DNA
i RNA), stwierdzono, e gw- nymi 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 orga- nelli, 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 ni- ej) 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) izo-
lowanie 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 zo- stan krtko opisane w rnych
miejscach tego podrcznika. Poczenie kilku metod jest pra- wie
zawsze nieodzowne w oczyszczaniu bio- moleku do stanu jednorodnoci
(wolnych od zanieczyszcze innymi biomolekuami). Naley podkreli, e
postpy biochemii s uwarun- kowane rozwojem nowych metod analizy,
oczy- szczania i badania struktury. Na przykad bio- chemi lipidw
zrewolucjonizowao wprowa- dzenie chromatografii ciecz owo-gazowej i
chro- matografii cienkowarstwowej. Analiza bon bio- logicznych i
wielu biaek przysparzaa ogrom- nych trudnoci, a do chwili
wprowadzenia elektroforezy w elu poliakryloamidowym zawie- rajcym
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 roz-
dziau 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 bada-
niach 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, wyko- rzystywane 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 en- zymw 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 wprowa- dzenia spektrometrii masowej i
spektroskopii jdrowego rezonansu magnetycznego (NMR), ktre stay si
metodami z wyboru do oznacza- nia budowy. Na przykad budowa bardzo
zo- onych 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 jd- rowego rezonansu magnetycznego Zastosowanie
kwasowej lub zasadowej hydrolizy do degradacji btomolekufy w
badaniu jej pod- stawowych 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 uzys- ka
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 bio- chemicznych; wikszo danych
przedstawio- nych 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) do- wiadcze 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 bio-
chemicznego 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 degrado- wana (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 przedsta- wiono 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 ni- niejszej ksice i przedstawienia oglnej strate- gii
w ich wyjanianiu. Powinien on si przypo- mina wtedy, kiedy kady z
opisywanych gw- nych procesw biochemicznych (np. glikoliza,
utlenianie kwasw tuszczowych) bdzie rozpat- rywany, 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 po-
ziomie molekularnym, pomimo moliwoci po- jawienia si artefaktw,
nieodzowne jest wyizo- lowanie i identyfikacja kadego z jego skad-
nikw 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 rekon- stytucji 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.
spekt- roskopia 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 bio- chemii 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), po- czone z
ich detekcj na drodze spektrometrii masowej, znalazy zastosowanie w
rozwizywa- niu wielu problemw biochemicznych. Na przy- kad 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 bada-
niach biochemicznych Izotopy trwale Izotopy promieni ot w rcze 2
D"N "C M Ca 131 1 Pniejsze wprowadzenie izotopw radioak- tywnych
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 zarw- no izotopw trwaych, jak i radioaktywnych jest
fundamentalne dla rozwoju kadego dziau bio- chemii. Badania za ich
pomoc zoonych i pro- stych biomoleku zarwno in vivo, jak i in vitro
budz zaufanie. Ogromny postp, poczyniony ostatnio w
sekwencjonowaniu kwasw nuklei- nowych, a take w oznaczaniu
substancji wy- stpujcych 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 biomole- ku
(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 wy- janienia,
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 ko-
mrki nowotworowe. Wiedza o podziale komr- kowym 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 przebie- ga w rodowisku wodnym. Woda jest
czynnym skadnikiem w wielu reakcjach biochemicznych i jest wanym
czynnikiem determinujcym wa- ciwoci 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 mniej- sze, 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
nie- ktrych 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 bio-
chemii.
- 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 tle- nem (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 rozmieszcze- nia 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 upo-
rzdkowanie 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 czs- teczek 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 czs- teczki 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 mi- dzy czsteczkami etanolu i wody, midzy 2 czs-
teczkami 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 czste-
czek wanych fizjologicznie zwizkw przed- stawia ryc. 3-4.
Powstawanie ich nie ogranicza si do czsteczek wody. Atomy wodoru,
po- czone z atomami azotu, mog uczestniczy take w wizaniach
wodorowych. Problem ten bdzie rozpatrywany w dalszej czci ksiki w
zwizku z omawianiem trjwymiarowej struk- tury 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 ten- dencj 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
wy- stpuje jako jon, czy jako cz czsteczki wody. W danym momencie
moe by jonem, a w na- stpnym czci czsteczki. Jonw oraz czs- teczek
wody nie rozpatruje si pojedynczo. Wiedzc, e 1 g wody zawiera 3,46
x 1022 czs- teczek, jonizacj wody mona opisa statystycz- nie. Naley
zna prawdopodobiestwo wystpo- wania wodoru w formie jonu lub czci
czste- czki wody. W przypadku gdy prawdopodobiestwo wy- stpowania
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 prawdopodo- biestwo 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 czys- tej 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 molo- we
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 prawdopodobie- stwo 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 ludz- kiego
(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 biochemicz- nych. 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 ste- niom jonw H+ , a due
maym steniom H+ Kwasy okrela si dawcami protonw, a zasa- dy
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 kwa- su
fosforowego. Ponisze przykady ilustruj sposb oblicza- nia pH
roztworw kwanych i zasadowych: Przykad. Jakie jest pH roztworu, w
kt- rym 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 ca-
kowite [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 za- oenie, 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 kom- rek ma grupy
funkcyjne, typowe dla sabych kwasw lub zasad. Jedna lub wicej grup
funk- cyjnych gwnie grupy karboksylowe, ami- nowe lub utworzone w
wyniku drugorzdowej dysocjacji fosforanowej estrw fosforanowych
wystpuj we wszystkich biakach i kwasach nukleinowych, wikszoci
koenzymw oraz me- tabolitw porednich. Aby zrozumie wpyw
wewntrzkomrkowego pH na budow i ak- tywno biochemiczn tych zwizkw,
naley pozna sposb dysocjacji (rwnowagi protono- Tabela 3-1.
Przykady sabych kwasw i sprzo- nych 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 kli- nicznych rozdzia i
identyfikacja tych zwizkw opiera si na znajomoci przebiegu
dysocjacji ich grup funkcyjnych. Protonowa forma kwasu (HA lub
RNH+) od- nosi 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 wo- dorowych [H+ ] jest
rwne liczbowo staej dyso- cjacji K. Jeli obliczy si logarytmy
powyszego rw- nania 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 pod- kreli, 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 rwnowa- nika* 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 chemi- cznego 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 rw- nania
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 miarecz- kowania 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 zasa- dy, 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 praw-
dopodobiestwo, e ma ona adunek 0,5. Przyjcie adunku elektrycznego
makroczste- czek jako funkcji pH stwarza podstaw dla wielu
uytecznych technik rozdziau, wczajc eiektroforetyczny rozdzia
aminokwasw, bia- ek 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 zdro- wia (doroli). Metabolizm
aminokwasw przy- czynia 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