Białka, lipidy i kwasy nukleinowe - Biologia na czasie 1 (ZP)

1.Znaczenie białek w organizmie

Białka są głównym składnikiem budulcowym komórek i tkanek, odgrywają kluczową rolę w metabolizmie komórek i regulują procesy w organizmie. Wszystkie białka powstają na podstawie informacji genetycznej zawartej w DNA.

2.Budowa białek

Białka są polimerami zbudowanymi z 20 różnych rodzajów aminokwasów. Połączone aminokwasy tworzą łańcuch białkowy, który może liczyć od kilkudziesięciu do wielu tysięcy aminokwasów.

3.Budowa aminokwasu

Aminokwasy są zbudowane z węgla, wodoru, tlenu i azotu, a niektóre także z siarki. Aminokwas ma centralnie położony atom węgla, grupę karboksylową ($\ce{-COOH}$), grupę aminową ($\ce{-NH2}$) i podstawnik R. Podstawniki różnią się kształtem (łańcuch lub pierścień), wielkością, ładunkiem i powinowactwem do wody, więc decydują o właściwościach aminokwasu.

4.Wiązanie peptydowe

Wiązanie łączące aminokwasy w białkach. Powstaje między grupą karboksylową jednego aminokwasu a grupą aminową następnego; odłącza się przy tym cząsteczka wody: aminokwas 1 + aminokwas 2 → peptyd + $\ce{H2O}$.

5.Białka proste i białka złożone

Podział według budowy. Białka proste są zbudowane wyłącznie z aminokwasów, np. keratyna, histony, albuminy, globuliny. Białka złożone składają się z aminokwasów i części niebiałkowej (cukrów, tłuszczów, kwasów nukleinowych lub jonów metalu), np. mioglobina z hemem, hemoglobina, fibrynogen.

6.Budowa białek a ich funkcje

Białka różnią się liczbą, rodzajem i kolejnością aminokwasów oraz obecnością części niebiałkowej. Cechy te wpływają na właściwości białka, np. rozpuszczalność w wodzie i kształt, a od właściwości zależą jego funkcje.

7.Białka o funkcji strukturalnej i enzymatycznej

Funkcję strukturalną pełnią: keratyna (buduje włosy i paznokcie), kolagen (buduje skórę, ścięgna i więzadła) oraz histony (tworzą w jądrze komórkowym podporę dla nawiniętej na nie nici DNA). Funkcję enzymatyczną pełni np. pepsyna - enzym trawienny wytwarzany w żołądku, który trawi białka.

8.Hemoglobina, mioglobina, albuminy, globuliny i fibrynogen - funkcje

Hemoglobina - transportowa: przenosi we krwi tlen i dwutlenek węgla. Mioglobina - magazynująca: gromadzi tlen w mięśniach. Albuminy - transportowa: przenoszą m.in. hormony, leki, witaminy i jony metali. Globuliny - odpornościowa (przeciwciała) i transportowa (hormony). Fibrynogen - ochronna: uczestniczy w krzepnięciu krwi.

9.Inne role białek w organizmie

Regulują pracę organizmu (hormon insulina), odpowiadają za ruch komórek i organizmu (aktyna i miozyna - skurcz mięśni), wykrywają sygnały i przekazują je do komórek (receptory błonowe), są zapasem substancji odżywczych (np. w nasionach rącznika) i przenoszą elektrony, umożliwiając wytwarzanie ATP w mitochondriach.

10.Priony i choroba kuru

Priony to białka o nieprawidłowej strukturze, które mogą przenosić się drogą pokarmową. Wywołują kuru: powoli niszczą komórki nerwowe, przez co tkanka mózgowa przypomina gąbkę. Objawy to m.in. drżenie mięśni, napady śmiechu, gwałtowne zmiany nastroju, otępienie i zaburzenia mowy.

11.Roztwór koloidalny (koloid) białka

Niejednolita mieszanina dwóch substancji, która powstaje, gdy białko rozpuszcza się w wodzie (np. białko jaja kurzego z wodą). Cząsteczki białka są otoczone cząsteczkami wody; ta otoczka wodna nie pozwala im łączyć się w większe grupy i wytrącać się jako osad.

12.Koagulacja białka

Proces łączenia się cząsteczek koloidu w większe struktury. Przykładem jest wysalanie białka.

13.Wysalanie białka

Koagulacja pod wpływem soli niektórych metali lekkich, np. chlorku sodu ($\ce{NaCl}$). Jony soli odciągają wodę od cząsteczek białka, które łączą się i tworzą osad. Proces jest odwracalny, bo struktura białka nie zostaje zniszczona: po dodaniu wody osad się rozpuszcza.

14.Denaturacja białka

Naruszenie struktury przestrzennej białka pod wpływem czynników fizycznych lub chemicznych. Rozrywane są wiązania chemiczne w białku z wyjątkiem peptydowych, więc zmieniają się jego właściwości (np. rozpuszczalność w wodzie) i białko nie może pełnić swojej funkcji.

15.Czynniki powodujące denaturację białek

Fizyczne: wysoka temperatura (powyżej 40°C), promieniowanie UV, promieniowanie rentgenowskie, wysokie ciśnienie. Chemiczne: stężone kwasy i zasady, sole metali ciężkich (np. rtęci), alkohole (np. etanol).

16.Denaturacja w codziennym życiu

Podczas smażenia jajka białko pod wpływem temperatury ulega denaturacji: staje się nieprzezroczyste i nierozpuszczalne w wodzie. Gorączka powyżej 40°C jest groźna, bo białka organizmu trwale się uszkadzają. Czasem po usunięciu czynnika denaturującego białko może wrócić do pierwotnej formy.

17.Jak odróżnić koagulację od denaturacji?

Do probówki z osadem białka dodaje się wodę destylowaną. Gdy osad się rozpuszcza, zaszła odwracalna koagulacja (np. wysalanie pod wpływem soli kuchennej). Gdy osad się nie rozpuszcza, zaszła nieodwracalna denaturacja (np. po ogrzaniu białka w płomieniu palnika).

18.Reakcja biuretowa - wykrywanie białek

Do próbki (np. mleka) dodaje się roztwór $\ce{NaOH}$ (10%) i kilka kropel roztworu $\ce{CuSO4}$ (1%). Jasnoniebieska barwa jonów $\ce{Cu^2+}$ zmienia się na fioletową, bo powstają związki kompleksowe białek z jonami miedzi(II). Reakcję dają związki z co najmniej dwoma wiązaniami peptydowymi; próbą kontrolną jest białko jaja kurzego.

19.Lipidy (tłuszczowce)

Obszerna i zróżnicowana grupa związków organicznych zbudowanych z węgla, wodoru i tlenu; niektóre zawierają też azot lub fosfor. Są m.in. materiałem zapasowym gromadzonym w tkance tłuszczowej ssaków i w nasionach niektórych roślin, np. rzepaku.

20.Hydrofobowość lipidów

Charakterystyczna cecha lipidów: nie rozpuszczają się w wodzie, ale rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych, np. w benzynie. Lipidy mają mniejszą gęstość od wody, więc tworzą na jej powierzchni oddzielną warstwę.

21.Podział lipidów według kryteriów

Według budowy: lipidy proste (np. woski, tłuszcze właściwe) i złożone (np. fosfolipidy, glikolipidy). Według konsystencji: stałe (np. masło, smalec) i ciekłe (np. olej, tran). Według pochodzenia: roślinne (np. oliwa, olej) i zwierzęce (np. smalec, tran).

22.Lipidy proste i tłuszcze właściwe - budowa

Lipidy proste są zbudowane tylko z alkoholu i kwasów tłuszczowych (są estrami); należą do nich tłuszcze właściwe i woski. W tłuszczach właściwych alkoholem jest glicerol, połączony z kwasami tłuszczowymi wiązaniami estrowymi.

23.Kwasy tłuszczowe nasycone i nienasycone

Nasycone mają tylko pojedyncze wiązania, a nienasycone - co najmniej jedno wiązanie podwójne. Tłuszcze z przewagą kwasów nasyconych (głównie zwierzęce, np. masło) są w temperaturze pokojowej stałe, a z przewagą nienasyconych (głównie roślinne, np. olej) - płynne.

24.Funkcje tłuszczów właściwych

Są wysokoenergetycznym materiałem zapasowym organizmów (np. w nasionach dyni). U ssaków tworzą warstwę podskórną, która pełni funkcję termoizolacyjną - dzięki niej np. niedźwiedzie polarne przeżywają w bardzo niskich temperaturach.

25.Woski

Lipidy proste zbudowane z innego alkoholu niż glicerol i z kwasów tłuszczowych. Nie rozpuszczają się w wodzie, więc tworzą warstwę ochronną: na liściach chronią przed nadmiernym parowaniem wody, a na piórach ptaków wodnych i sierści - przed przemakaniem. Pszczoły budują z wosku plastry.

26.Lipidy złożone

Lipidy zbudowane z alkoholu (glicerolu), kwasów tłuszczowych i dodatkowych związków. W fosfolipidach jest to reszta kwasu fosforowego(V), a w glikolipidach - cząsteczki cukrów. Oba rodzaje budują błony biologiczne komórek; glikolipidy pełnią też m.in. funkcję antygenową (antygeny grup krwi układu AB0).

27.Budowa i ułożenie fosfolipidów

Cząsteczka fosfolipidu ma hydrofilową głowę („lubi" wodę) i dwa hydrofobowe ogony, czyli łańcuchy kwasów tłuszczowych. W wodzie fosfolipidy tworzą podwójną warstwę: głowy są zwrócone do wody, a ogony do siebie - tak są zbudowane błony biologiczne.

28.Cholesterol

Steroid należący do lipidów izoprenowych - hydrofobowych związków zaliczanych do lipidów. Usztywnia i uszczelnia błony komórek zwierząt, bierze udział w powstawaniu niektórych hormonów (np. testosteronu) i jest konieczny do syntezy witaminy D3. Jego nadmiar odkłada się w naczyniach krwionośnych i sprzyja chorobom układu krążenia, np. miażdżycy i zawałowi serca.

29.Wykrywanie lipidów

Barwnik Sudan III wybarwia krople tłuszczu na czerwono (próba kontrolna pozytywna: kropla oleju). Lipidy można też wykryć po tłustej plamie na kartce papieru, widocznej pod światło po wyschnięciu; kontrolą pozytywną jest kropla oleju, a negatywną - kropla wody, która plamy nie zostawia.

30.Kwasy nukleinowe

DNA (kwas deoksyrybonukleinowy) i RNA (kwas rybonukleinowy) - polimery zbudowane z węgla, wodoru, tlenu, azotu i fosforu, których podstawową jednostką jest nukleotyd. Zawierają informację genetyczną i odpowiadają za syntezę białek.

31.Budowa nukleotydu

Nukleotyd składa się z zasady azotowej, pięciowęglowego cukru i reszty kwasu fosforowego(V). Nukleotydy łączą się w długie nici wiązaniami fosfodiestrowymi, które powstają między cukrem jednego nukleotydu a resztą fosforanową(V) następnego.

32.Budowa i występowanie DNA

Cząsteczka DNA to podwójna helisa: dwie nici ułożone równolegle i śrubowato skręcone wokół wspólnej osi, utrzymywane m.in. wiązaniami wodorowymi między zasadami. Nukleotydy zawierają deoksyrybozę i adeninę (A), tyminę (T), cytozynę (C) lub guaninę (G). DNA jest głównie w jądrze komórkowym, a w małych ilościach w mitochondriach i chloroplastach.

33.Zasada komplementarności

Zasady leżące naprzeciwko siebie w DNA łączą się zawsze w ten sam sposób: adenina z tyminą (dwa wiązania wodorowe), a cytozyna z guaniną (trzy wiązania wodorowe). Dlatego obie nici DNA są komplementarne.

34.Replikacja DNA

Powielanie DNA możliwe dzięki komplementarności nici. Helisa się rozplata, a do każdej nici są dobudowywane nowe nukleotydy zgodnie z zasadą komplementarności. Z jednej cząsteczki DNA powstają dwie identyczne cząsteczki potomne.

35.Znaczenie DNA

DNA jest materiałem genetycznym organizmów i niektórych wirusów oraz nośnikiem informacji genetycznej, przekazywanej z pokolenia na pokolenie. Sekwencja nukleotydów zapisuje kolejność, rodzaj i liczbę aminokwasów w białkach; trzy kolejne nukleotydy oznaczają jeden aminokwas. Informacja z DNA jest tłumaczona na białko za pośrednictwem RNA.

36.Budowa i występowanie RNA

Nukleotydy RNA zawierają rybozę, a zamiast tyminy - uracyl (U). RNA jest zwykle jednoniciowy, ale może mieć fragmenty dwuniciowe, które zmieniają kształt cząsteczki i wpływają na jej funkcje. Powstaje przez kopiowanie informacji z DNA; występuje w jądrze, cytozolu i mitochondriach, a u roślin też w chloroplastach.

37.Rodzaje RNA i ich funkcje

Główną funkcją RNA jest udział w syntezie białek. rRNA (rybosomowy) buduje rybosomy, które łączą aminokwasy w białka. tRNA (transportujący) przenosi aminokwasy na rybosomy. mRNA (informacyjny) przenosi informację o budowie białka z jądra komórkowego na rybosomy.

38.Porównanie DNA i RNA

DNA: dwuniciowa helisa, deoksyryboza, zasady A, T, C, G; przechowuje i przekazuje informację genetyczną. RNA: głównie jednoniciowy, ryboza, zasady A, U, C, G; uczestniczy w syntezie białek. W obu nukleotydy zawierają resztę kwasu fosforowego(V) i są połączone wiązaniami fosfodiestrowymi.

39.Inne funkcje nukleotydów i RNA

Wolny nukleotyd ATP przenosi energię. Dinukleotydy $\ce{NAD+}$ i FAD są przenośnikami elektronów, np. w oddychaniu tlenowym. Niektóre cząsteczki RNA pełnią funkcję enzymatyczną lub regulatorową, a u niektórych wirusów RNA jest materiałem genetycznym.

40.Charakterystyczne wiązania związków organicznych

Wiązanie O-glikozydowe łączy monosacharydy w di- i polisacharydach. Wiązanie estrowe łączy alkohol z kwasami tłuszczowymi w lipidach. Wiązanie peptydowe łączy aminokwasy w białkach. Wiązanie fosfodiestrowe łączy nukleotydy w jednej nici kwasu nukleinowego.