A biokémia és molekuláris biológia alapjai

Nyitray László

Pál Gábor

szerkesztette 
Nyitray László
Pál Gábor

szakmai konzulens 
Hegyi György

az ábrákat készítette 
Micsonai András

szakmai lektor 
Asbóth Bence

E könyv kutatási és oktatási célokra szabadon használható. Bármilyen formában való sokszorosítása a jogtulajdonos írásos engedélyéhez kötött.

Készült a TÁMOP-4.1.2.A/1-11/1-2011-0073 számú, „E-learning természettudományos tartalomfejlesztés az ELTE TTK-n” című projekt keretében. Konzorciumvezető: Eötvös Loránd Tudományegyetem, konzorciumi tagok: ELTE TTK Hallgatói Alapítvány, ITStudy Hungary Számítástechnikai Oktató- és Kutatóközpont Kft.


Tartalom

Előszó
1. Általános bevezető
1.1. A biokémia fő témakörei
1.1.1. Szerkezeti biokémia
1.1.2. Bioenergetika és enzimológia
1.1.3. Molekuláris biológia
1.2. Az élővilág egysége, az élőlények felépítésének, működésének közös vonásai, alapelvei
1.2.1. A sejt, mint működési alapegység
1.2.2. Az élőlények alacsony entrópiájú állapotot tartanak fent
1.2.3. Az élőlények elemi kémiai összetétele hasonló
1.2.4. Az élőlények alapvető molekuláris összetétele
1.2.5. Az élőlényekre legjellemzőbb makromolekulák: a kombinatorikus építkezés alapelve
1.2.6. Specifikus, dinamikus molekuláris felismerések másodlagos kötésekkel
1.2.7. Az élőlényekben a kémiai reakciókat enzimek katalizálják
1.2.8. A sejtek molekuláris felépítése hierarchikus
1.2.9. Az örökletes információ tárolásának és kifejezésének közös alapelve
1.2.10. Önreprodukció és változatosságteremtés
1.2.11. A makromolekuláris önszerveződés alapelve
1.2.12. Az ATP, mint energiavaluta
1.2.13. Molekuláris motorok és molekuláris gépek
1.3. Dimenziók a biokémiában
1.3.1. A fizikai kiterjedés mérettartománya
1.3.2. Időtartamok skálája
1.3.3. A biokémia területére jellemző energiatartományok
1.3.4. A biokémia területére eső tömegértékek
1.3.5. Az élőlények genomjának információtartalma
2. Kémiai alapok
2.1. Az élő szervezetek alapvető vegyülettípusai
2.1.1. Az atomokból kémiai kötések révén vegyületek jönnek létre
2.1.2. A szén központi szerepe
2.1.3. Funkciós csoportok
2.1.4. A molekulák, funkciós csoportok ábrázolása
2.2. A szerves vegyületek háromdimenziós szerkezete: konformáció és konfiguráció
2.2.1. Konfiguráció I.: geometriai (cisz-transz) izoméria
2.2.2. Konfiguráció II.: királis centrumok és optikai izoméria
2.2.3. Konformáció
2.3. Az élő szervezetekben lejátszódó fő reakciótípusok
2.3.1. Oxidáció-redukció
2.3.2. Szén-szén kötés hasadása nukleofil szubsztitúcióval
2.3.3. Molekulán belüli csoportátrendeződés
2.3.4. Csoporttranszfer reakciók
2.3.5. Kondenzációs reakciók vízkilépéssel
2.4. A másodlagos kölcsönhatások (kötések).
2.4.1. A másodlagos kölcsönhatásokról általánosságban
2.4.2. A másodlagos kölcsönhatások típusai
2.4.3. Molekuláris felismerés gyenge másodlagos kötésekkel
2.5. A víz alapvető tulajdonságai és biokémiai szerepei
2.5.1. A víz fő fizikokémiai adatai
2.5.2. A víz, mint oldószer
2.5.3. A hidrofób hatás (effektus)
2.5.4. Ionegyensúlyok vizes közegben
2.5.5. Sav-bázis reakciók vizes közegben
2.5.6. Puffer-hatás
2.5.7. Biológiai pufferek
2.5.8. Biokémiai kísérletekben használt pufferek
2.5.9. A víz, mint reakciópartner
3. A termodinamika alapjai
3.1. A termodinamika alapfogalmai
3.2. A termodinamika első főtétele
3.3. Az entalpia fogalmának bevezetése
3.4. A termodinamika második főtétele
3.4.1. Az entrópia fogalmának statisztikus bevezetése
3.4.2. A szabadentalpia bevezetése
3.4.3. A szabadentalpia változás és a maximális nem-térfogati munka
3.4.4. A kémiai reakciókat kísérő szabadentalpia változás
3.4.5. Standard körülmények a biokémiában
3.4.6. Kapcsolt kémiai reakciók
4. Aminosavak, peptidkötés, a fehérjék elsődleges és másodlagos szerkezete
4.1. A 20 (+2) fehérjealkotó aminosav
4.1.1. Apoláros, alifás oldalláncú aminosavak
4.1.2. Aromás oldalláncú aminosavak
4.1.3. Poláros, töltést nem hordozó oldalláncú aminosavak
4.1.4. Pozitív töltéssel rendelkező oldalláncú aminosavak
4.1.5. Negatív töltéssel rendelkező oldalláncú aminosavak
4.2. Az aminosavak disszociációs állapotai
4.2.1. Disszociábilis csoportot nem tartalmazó oldalláncú aminosavak izoelektromos pontja
4.2.2. Disszociábilis csoportot tartalmazó oldalláncú aminosavak izoelektromos pontja
4.3. Peptidkötés, polipeptidek, fehérjék
4.3.1. A polipeptidlánc alaptulajdonságai
4.3.2. Fehérjeszerkezeti szintek: primer (elsődleges) szerkezet
4.3.3. A fehérjék mérettartománya
4.3.4. Egyszerű és összetett fehérjék
4.3.5. A peptidkötés szerkezete és tulajdonságai
4.3.6. A fehérje főlánc (peptidgerinc) konformációjának geometriai jellemzése
4.4. Fehérjeszerkezeti szintek: másodlagos szerkezet
4.4.1. A másodlagos szerkezetek kísérletes igazolása
4.4.2. A jobbmenetes α-hélix szerkezet
4.4.3. A β-lemez szerkezet
4.4.4. β-kanyarok
4.5. A fibrilláris fehérjék térszerkezete
4.5.1. A keratin
4.5.2. A selyem fibroin
4.5.3. A kollagén térszerkezete
5. A fehérjék harmadlagos és negyedleges szerkezete
5.1. A fehérjék térszerkezet-vizsgálata
5.1.1. A biológiai objektumok vizualizálásának jelentősége
5.1.2. Szerkezet-meghatározás röntgendiffrakcióval
5.1.3. Szerkezetmeghatározás mágnesen magrezonanciával
5.2. A fehérjék harmadlagos szerkezete
5.2.1. A globuláris fehérjék szerkezetének alapvető közös vonásai
5.2.2. A globuláris fehérjék hierarchikus szerkezeti felépítése
5.2.3. Fehérjeszerkezeti motívumok
5.2.4. Domének
5.3. Fehérje térszerkezeti típusok
5.4. A fehérje térszerkezet stabilitása
5.5. A fehérje térszerkezet kialakulása
5.5.1. A fehérjék letekeredése, az „unfolding”.
5.5.2. Az Anfinsen-kísérlet
5.5.3. A fehérjék feltekeredése: a Levinthal-paradoxon
5.5.4. A fehérjék feltekeredése: a folding tölcsér
5.6. A fehérjék negyedleges szerkezete
5.6.1. A negyedleges szerkezet lehetséges előnyei
6. Fehérjék izolálása és fehérjevizsgáló módszerek
6.1. A spektroszkópia alapjai
6.1.1. Minőségi meghatározás: spektrumok
6.1.2. Mennyiségi meghatározás: a Lambert-Beer törvény
6.2. A sejtek feltárása és a fehérjék izolálása
6.2.1. A sejtek feltárása
6.2.2. Sejtfrakcionálás
6.2.3. Centrifugálás
6.2.4. Fehérjék durva frakcionálása
6.3. Kromatográfiás eljárások
6.3.1. Ioncserés kromatográfia
6.3.2. Fehérjék elválasztása méret szerint: gélszűrő kromatográfia
6.3.3. Reverz-fázisú kromatográfia: fehérjék elválasztása hidrofób jelleg alapján
6.3.4. Affinitás-kromatográfia
6.4. Elektroforetikus eljárások
6.4.1. Az elektroforézisről általánosságban
6.4.2. A poliakrilamid gélelektroforézis (PAGE)
6.5. Aminosav összetétel analízis
6.6. A fehérjék szekvenálás
6.6.1. Sanger módszerének lényege, és jelentősége
6.6.2. Aminosav csoportok egyenkénti eltávolítása az N-terminálisról: az Edman-módszer
6.6.3. A diszulfidhidak pozíciójának meghatározása
7. A fehérjeműködés paradigmája: mioglobin és hemoglobin
7.1. A fehérjék működésének általános jellemzői
7.2. Az oxigénkötés alapvető problémaköre
7.3. A mioglobin és a hemoglobin összehasonlítása
7.4. A reverzibilis ligandum-kötés általános matematikai leírása
7.5. Az egyszerű szállítófehérje problémája
7.6. A kooperativitás jelensége, és matematikai leírása
7.7. A hemoglobin kooperatív oxigénkötésének Hill-diagramja
7.8. A hemoglobin Hill-diagramjának értelmezése
7.8.1. A kooperativitás szekvenciális modellje
7.8.2. A kooperativitás összehangolt modellje.
7.9. A hemoglobin szerkezetének és működésének részletes bemutatása
7.10. A hemoglobin anyagcserefüggő szabályozása, a Bohr-effektus
7.11. A hemoglobin oxigénkötésének anyagcserétől független szabályozása
7.12. A magzati hemoglobin működése
7.13. Egy örökletes betegség, a sarlósejtes anémia
8. Az enzimműködés alapjai
8.1. Az enzimek specifitása
8.2. Kofaktorok
8.3. Az enzimek osztályozása
8.4. Az enzimkatalízis termodinamikai alapjai
8.5. Az enzimkatalízis molekuláris mechanizmusa
8.5.1. Fémion katalízis
8.5.2. Általános sav-bázis katalízis
8.5.3. Kovalens katalízis
9. Enzimkinetika
9.1. A Michaelis-Menten kinetika első modellje
9.2. A Michaelis-Menten kinetika továbbfejlesztett modellje
9.3. A kezdeti sebesség értékek és a fő kinetikai paraméterek meghatározása.
9.4. Enzimgátlás típusok
9.4.1. Kompetitív gátlás
9.4.2. Unkompetitív gátlás
9.4.3. Kevert típusú gátlás
10. Szénhidrátok
10.1. Monoszacharidok
10.2. Diszacharidok
10.3. Poliszacharidok
10.3.1. Glikózaminokligánok
10.4. Glikokonjugátumok
10.4.1. Peptidoglikánok
10.4.2. Proteoglikánok
10.4.3. Glikoproteinek
10.5. A „cukorkód” és jelentősége
10.5.1. Specifikus szénhidrátkötő fehérjék: lektinek
11. Lipidek és biomembránok
11.1. Zsírsavak és neutrális zsírok
11.2. Membránalkotó lipidek
11.2.1. Glicerofoszfolipidek és szfingolipidek
11.2.2. Glikolipidek
11.2.3. Koleszterin
11.2.4. Éterlipidek
11.3. Egyéb lipidek: jelátviteli molekulák, kofaktor, pigmentek
11.3.1. Jelátviteli lipidek
11.3.2. Lipofil vitaminok és származékaik
11.3.3. Kofaktorok, pigmentek egyéb lipidek
11.4. A lipidek vizsgálati módszerei
11.5. Biomembránok
11.5.1. A biomembránok általános tulajdonságai
11.5.2. Membránfehérjék és szerepük
12. Nukleinsavak
12.1. A nukleinsavak kémiai felépítése
12.2. A nukleinsavak örökítő szerepének bizonyítása
12.2.1. A Griffith-kísérlet
12.2.2. Az Avery-MacLeod-McCarty kísérlet
12.2.3. A Hershey-Chase kísérlet
12.2.4. A Chargaff szabályok
12.3. A DNS térszerkezetének Watson-Crick modellje
12.3.1. A Watson-Crick modell megalkotásának rövid története
12.3.2.  A Watson-Crick modell részletes ismertetése
12.3.3. A komplementaritás következménye
12.3.4.  A Watson-Crick modellt igazoló biofizikai mérések
12.3.5. A DNS magasabbrendű szerkezeti formái
13. Replikáció (DNS szintézis) és DNS-hibajavítás
13.1. A centrális dogma
13.2. A DNS replikációval kapcsolatos alapvető kérdések
13.3. A Meselson-Stahl kísérlet: a DNS replikáció szemikonzervatív
13.4. A Cairns-kísérlete: az origó és a replikációs villa kimutatása
13.5. A DNS szintézis kémiája
13.6. Az Okazaki-fragmentumok
13.7. DNS-polimerázok
13.8. A replikáció iniciációs fázisa
13.9. A replikáció elongációs fázisa
13.10. A replikáció terminációs fázisa
13.11. A prokarióta és eukarióta replikáció összevetése
13.12. DNS hibajavítás
13.12.1. Az Ames-teszt
13.12.2. Mutáció típusok
13.12.3. A fő DNS hibajavító mechanizmusok
14. Transzkripció (RNS szintézis)
14.1. A transzkripció és a replikáció hasonló vonásai
14.2. A prokarióta RNS-polimeráz, a prokarióta transzkripció iniciációs fázisa
14.3. A transzkripció elongációs fázisa
14.4. A transzkripció terminációs fázisa
14.5. A prokarióta és eukarióta transzkripció összevetése
14.5.1. Fő különbségek a prokarióta és az eukarióta mRNS keletkezésének szabályozásában
14.6. Az eukarióta RNS-polimeráz II működése
14.6.1. Az eukarióta RNS-polimeráz II és a preiniciációs komplex
14.7. Transzkripció gátlószerei
14.8. Az eukarióta gének mozaikos felépítése
14.9. Splicing mechanizmusok
14.9.1. Az I. és II. csoport, az önhasító intronok (self-splicing)
14.9.2. A III. csoport és a spliceoszómák
14.10. Az alternatív splicing
14.11. Az eukarióta mRNS 5’-végének processzálása
14.12. Az eukarióta mRNS 3’ végének processzálása
14.13. A riboszómális RNS-ek érése prokariótákban és eukariótákban
14.14. A tRNS-ek érése prokariótákban és eukariótákban
15. A genetikai kód feltörése
15.1. A genetikai kód megfejtését megalapozó ismeretek
15.1.1. A fehérjeszintézis helyének azonosítása
15.1.2. Az adapter RNS (tRNS) azonosítása
15.1.3. Az információt közvetítő, hírvivő RNS (mRNS) azonosítása
15.1.4. A genetikai kód triplet voltának felismerése
15.1.5. A kód nem átfedő
15.1.6. Egyetlen érvényes leolvasási keret van
15.2.  A genetikai kód feltöréséhez vezető kísérletek
15.2.1. Az első tripletek jelentésének feltárása mesterséges homopolimer RNS-ekkel
15.2.2. A random nukleotid keveréses módszer
15.2.3. Szintetikus trinukleotid módszer: a Nirenberg-Leder kísérlet
15.2.4. Khorana repetitív ismétlődéseket tartalmazó szintetikus RNS módszere
15.3. A genetikai kódszótár szabályos szerkezete
15.3.1. A kodon-aminosav hozzárendelés szabályossága
15.3.2. Degenerált kód és lötyögő kodon-antikodon kapcsolat
15.4. A genetikai kód majdnem tökéletesen univerzális
16. Transzláció (fehérjeszintézis)
16.1. A fehérjeszintézis és az mRNS-leolvasás iránya
16.1.1. A fehérje az N-terminálistól a C-terminális felé szintetizálódik
16.1.2. Az mRNS 5'→ 3'-irányban olvasódik le
16.2. A fehérjeszintézis első fő szakasza, az aminosavak aktiválása és tRNS-hez kötése
16.2.1. A tRNS-ek közös tulajdonságai, és másodlagos szerkezete
16.2.2. Az aminosav aktiválás lépései
16.2.3. A tRNS specifikus felismerése a szintetáz által
16.3. A fehérjeszintézis riboszómális szakasza
16.3.1. A riboszómák térbeli és funkcionális felépítése
16.3.2. A transzláció lánckezdése (iniciáció)
16.3.3. Lánchosszabbítás (elongáció)
16.3.4. Lánczárás (termináció)
16.4. Az eukarióta transzláció néhány jellegzetessége
16.5. Transzláció gátlószerek
16.6. A fehérjeszintézis energiamérlege
17. A fehérjeműködés szabályozása
17.1. A fehérjeműködés lényege
17.2. Allosztérikus fehérjék/enzimek
17.2.1. Az allosztérikus fehérjék általános tulajdonságai
17.2.2. Példa egy allosztérikus enzimre: aszpartáz-transzkarbamoiláz
17.3. Reverzibilis kovalens szabályozása
17.3.1. Reverzibilis foszforiláció
17.3.2. Protein-kináz családok
17.3.3. A cAMP-függő protein-kináz (protein-kináz A) működése
17.4. Irreverzibilis kovalens szabályozása
17.4.1. Fehérjék aktiválása proteolitikus hasítással
17.5. Fehérje izoformák, izoenzimek
18. A génexpresszió szabályozása
18.1. A génexpresszió szabályozás általános elvei
18.1.1. A transzkripciós faktorok DNS-felismerése
18.2. Prokarióta génexpresszió szabályozás
18.2.1. A lac-operon működése
18.2.2. A Trp-operon és az attenuáció
18.3. Eukarióta génexpresszió szabályozás
18.3.1. A komplex genom komplex szabályozást igényel
18.3.2. Kromatin átrendeződés, remodellálás (remodeling)
18.3.3. Eukarióta transzkripciós faktorok, kofaktorok, komplexek
18.3.4. Szteroid hormonok hatásmechanizmusa
18.4. Génexpresszió szabályozás a transzláció szintjén
18.4.1. Az állatok vasion anyagcseréjében szerepet játszó mRNS-ek szabályozása
18.5. Szabályozott mRNS lebomlás: RNS interferencia
19. A géntechnológia alapjai
19.1. A géntechnológia célja és módszerei
19.2. Rekombináns DNS előállítása és felszaporítása: molekuláris klónozás
19.2.1. Restrikciós endonukleázok, a rekombináns DNS előállítás legfontosabb eszközei
19.2.2. Rekombináns DNS in vitro előállítása
19.2.3. A molekuláris klónozás lépései
19.2.4. A vektor DNS-ek típusai
19.2.5. Rekombináns DNS könyvtárak
19.3. Hibridizációs technikák
19.3.1. A Southern- és Northern-blot technika és az RFLP módszer
19.3.2. DNS-chip (microarray) technika
19.4. Polimeráz láncreakció (PCR)
19.5. DNS-szekvenálás
19.5.1. A Sanger-féle láncterminációs (didezoxi-) szekvenálás
19.5.2. Automata fluoreszcens szekvenálás
19.5.3. Új-generációs szekvenálás
19.6. Irányított in vitro mutagenezis
19.6.1. Hely-specifikus mutagenezis Kunkel-módszerrel
19.7. Rekombináns fehérjék előállítása
19.7.1. Prokarióta expressziós rendszerek
19.7.2. Rekombináns fehérjék előállításának további lehetőségei
19.8. Transzgenikus élőlények és génterápia
19.8.1. Transzgenikus állatok
19.8.2. Transzgenikus növények
19.8.3. Génterápia
19.9. Célzott génmódosítás in vivo: génkiütés és géncsendesítés
19.9.1. Génkiütés (knockout) egérben
19.9.2. Géncsendesítés (gene silencing, knockdown)
20. A bioenergetika alapjai és az anyagcsere áttekintése
20.1. Általános bevezető
20.2. Az egyes anyagcsere folyamatok szabályozásának általános alapelvei
20.3. Az egyes enzimatikus lépések szabályozásának módjai
20.4. Az allosztérikus szabályozás alapelve, és fő előnyei
20.5. Az ATP központi szerepe
20.6. Az ATP energiatároló képességének szerkezeti okai
20.7. Csoportátvitel ATP-ről kapcsolt reakciókban
20.8. Az ATP-keletkezés szubsztrát-szintű foszforilálással
20.9. ATP biztosítja a többi nukleozid-trifoszfát létrejöttét
20.10. Redoxreakciók
20.11. Példa egy összetett anyagcsere útvonalra: a tápanyagok aerob lebontása, vagyis a sejtlégzés áttekintése.
20.12. Összefoglalás
A. Függelék
Az e-jegyzethez kapcsolódó animációk