Obecná biochemie poskytuje základy nezbytné pro další studium navazujících biochemických disciplín ve studijním programu Farmacie vyučovaných na farmaceutické fakultě. Vychází ze znalosti biologie, organické a bioorganické chemie, a morfologie a fyziologie člověka. Vykládá metabolické cesty, jejich regulaci, principy termodynamiky a enzymové katalýzy a zahrnuje základy proteosyntézy a xenobiochemie.
Témata: Proteiny, enzymy, enzymová kinetika, základy termodynamiky biologických systémů, metabolismus cukrů, metabolismus lipidů, metabolismus aminokyselin, citrátový cyklus, dýchací řetězec a oxidační fosforylace, metabolismus nukleotidů, transportní mechanismy a kompartmentace, biochemie hemu, mezibuněčná signalizace, přehled regulačních mechanismů metabolických cest, základy xenobiochemie
Poslední úprava: Wsól Vladimír, prof. Ing., Ph.D. (16.09.2024)
General Biochemistry provides the basics necessary for further study of follow-up biochemical disciplines in the study program of Pharmacy at the Faculty of Pharmacy. It is based on knowledge of biology, organic and bioorganic chemistry, and human morphology and physiology. It explains metabolic pathways, their regulation, principles of thermodynamics and enzymatic catalysis and includes the basics of proteosynthesis and xenobiochemistry.
Topics: Proteins, enzymes, enzyme kinetics, basics of thermodynamics of biological systems, metabolism of sugars, lipid metabolism, amino acid metabolism, citric acid cycle, respiratory chain and oxidative phosphorylation, nucleotide metabolism, transport mechanisms and compartmentation, heme biochemistry, cell-cell signalling, an overview of regulatory mechanisms of metabolic pathways, the basics of xenobiochemistry
Poslední úprava: Wsól Vladimír, prof. Ing., Ph.D. (16.09.2024)
Podmínky zakončení předmětu - angličtina
It is necessary to earn the credit before the planned exam, by successfully passing the prescribed number of practical exercises and by attending seminars, which must be registered in the SIS. The exam consists of an oral part. Detailed information is always in folders on the web for the subject.
Poslední úprava: Wsól Vladimír, prof. Ing., Ph.D. (16.09.2024)
Literatura
Doporučená:
Champe, Pamela C. Harvey, Richard A.. Lippincott's ilustrated reviews : biochemistry. Washington: Lippincott-Raven, 1994, 443 s. ISBN 0-397-51091-8.
Devlin, Thomas M., (ed.). Textbook of biochemistry : with clinical correlations. Hoboken: Wiley-Liss, 2006, 1208 s. ISBN 0-471-67808-2.
Poslední úprava: prepocet_literatura.php (19.09.2024)
Sylabus -
Sylabus předmětu
1. Proteiny (přehled)
Fyzikálně-chemické a biologické vlastnosti aminokyselin. Peptidy a proteiny, obecné vlastnosti, klasifikace a význam pro živý organismus. Struktura a prostorové uspořádání proteinů se zaměřením na funkci. Vztah mezi konformací proteinů a biologickým účinkem.
2. Enzymy
Klasifikace a význam. Mechanismy a zvláštnosti enzymové katalysy. Enzymová kinetika. Regulace enzymové katalysy. Regulatorní enzymy a možnosti jejich ovlivnění, multienzymové systémy.
3. Základy termodynamiky biologických systémů.
Katabolické a anabolické metabolické děje (obecně), jejich význam, regulace a lokalizace. Metabolismus obecně. Biologické oxidace. Termodynamika metabolických dějů.
4. Metabolismus cukrů
Metabolismus glukosy — glykolysa a glukoneogenesa, jejich průběh, lokalizace a regulace. Substrátová fosforylace. Pentosový cyklus, lokalizace a regulace. Vzájemné přeměny monosacharidů. Glykogen — syntéza a štěpení, regulace obou dějů. Vztah metabolismu cukrů k ostatním metabolickým dějům. Význam cukrů.
5. Metabolismus lipidů
Neutrální tuky, štěpení, syntéza, regulace. Mastné kyseliny se sudým a lichým počtem uhlíků, nenasycené mastné kyseliny, jejich oxidační štěpení a syntéza. Lokalizace a regulace. Fosfolipidy a glykolipidy, syntéza, štěpení, význam. Cholesterol, jeho syntéza a regulace syntézy. Vznik žlučových kyselin a steroidních hormonů. Význam lipidů. Vzájemný vztah metabolismu lipidů a cukrů. Ketogeneze. Metabolismus a význam ketolátek.
6. Metabolismus aminokyselin
Obecné metabolické reakce aminokyselin. Močovinový cyklus. Metabolické reakce jednotlivých typů aminokyselin ve vztahu k produktu. Jejich význam energetický i látkový. Schéma syntéz aminokyselin v živočišné buňce. Vztah aminokyselin ke všem metabolickým dějům v buňce.
7. Citrátový cyklus
Enzymy a reakce citrátového cyklu, regulace, lokalizace a vztah ke všem metabolickým přeměnám živin.
8. Dýchací řetězec a oxidační fosforylace
Složky, funkce a význam dýchacího řetězce. Oxidační fosforylace, průběh, regulace a hypotézy vzniku ATP. Možné rozpojovače a inhibitory. Vztah oxidační fosforylace ke všem metabolickým přeměnám živin.
9. Metabolismus nukleotidů
Syntéza a odbourávání purinových a pyrimidinových bazí. Syntéza ribonukleotidů a deoxyribonukleotidů. Význam a využití nukleotidů.
10. Transportní mechanismy a kompartmentace
Transportní mechanismy a jejich význam pro regulace metabolických dějů v organismu. Mitochondrie, jejich uspořádání, lokalizace enzymů a enzymových systémů v mitochondrii. Transport přes vnitřní mitochondriální membránu. Význam dalších organel.
11. Biochemie hemu
Syntéza a odbourávání hemu. Žlučová barviva, jejich význam a vylučování.
12. Mezibuněčná signalizace
Endokrinní, parakrinní a autokrinní signály. Podrobné vysvětlení mechanismů přenosu informace endokrinními signály a jejich význam pro buňku, intracelulární děje spojené s přijetím signálu. Typy receptorů. Druzí poslové.
13. Přehled regulačních mechanismů metabolických cest
Kompartmentace. Transport. Ovlivnění aktivity enzymů (allostericky, kovalentně). Ovlivnění proteosyntézy.
14. Základy xenobiochemie
Enzymy, které přeměňují látky tělu cizí (monooxygenasy, reduktasy a konjugační enzymy). Možnosti ovlivnění aktivity těchto enzymů a farmakologický dopad těchto vlivů. Indukce. Inhibice. Význam xenobiochemie pro farmaceutickou chemii, farmakologii a toxikologii.
Praktická cvičení:
•Důkaz a stanovení aminokyselin (vlastnosti, koncentrace, TLC), vlastnosti roztoků bílkovin (isoelektrický bod, denaturace)
•Oddělování nízko- a vysokomolekulárních látek (dialýza, gelová chromatografie)
•Měření aktivity enzymů (aktivita, specifická aktivita, vliv teploty)
•Kinetika enzymových reakcí (stanovení základních kinetických parametrů – Michaelisovy konstanty, maximální rychlosti reakce)
•Inhibice enzymové aktivity (stanovení inhibiční koncentrace IC50, vliv anorganických iontů)
Semináře:
1. Enzymy. Enzymová kinetika. Inhibice.
2. Metabolismus cukrů a jejich vzájemné vztahy, regulace
3. Metabolismus lipidů a aminokyselin, jejich vzájemné vztahy a regulace
Poslední úprava: Wsól Vladimír, prof. Ing., Ph.D. (16.09.2024)
Syllabus:
1. Proteins (overview)
General properties, classification and importance for living organisms, structure and spatial arrangement of proteins with respect to their function , relationship between conformation and biological effects of proteins, denaturation.
2. Enzymes
Structure and mechanism of action of enzymes, effects of different factors on enzymatic activity, inhibition of catalytic activity of enzymes. Lineweaver-Burk plot, significance of Vmax and KM values, regulation of enzyme action in cells, regulatory enzymes and their control, specificity of enzymes, three-dimensional structures of enzymes, active site, isoenzymes, cofactors, coenzymes, nomenclature and classification of enzymes
3. Thermodynamics of the Living Systems
Concept of thermodynamics (TMD), laws of TMD, free energy, equilibrium, criterion of reaction spontaneity, coupled reactions, ATP – hydrolysis, biological significance, redox potential –importance, relationship between free energy and redox potential.
4. Metabolism of Carbohydrates
Carbohydrates - general information, formation of ring structures, glycolysis (chemical strategy of glycolysis, basic types of reactions in glycolysis, reactions of glycolysis), energy balance of glycolysis, the Pasteur effect, the Cori cycle. Regulation of glycolysis (alternative fates of glycolytic intermediates), gluconeogenesis (reactions and localization in the cell, regulation and energy balance), Entry of other carbohydrates into the glycolysis (monosaccharides -fructose, mannose , galactose, disaccharides), pentose phosphate pathway (importance, localization, reactions and regulation), key intermediates of metabolism, metabolic fates of pyruvate, pyruvate dehydrogenase complex. Glycogen Metabolism. Biosynthesis, breakdown and regulation, activation of kinases and phosphorylases, different metabolic pathway of glucose in various cells
5. Lipid Metabolism
Physiological role of lipids, fatty acids - the chemical nature , triacylglycerols – biosynthesis and degradation, control, utilization of fatty acids for energy production - activation, transport and reaction sequence for degradation, modifications of oxidative degradation, energy yield, regulation. Ketone bodies, structures, biosynthesis and control, peroxisomal oxidation of FA, reaction sequence for synthesis of palmitic acid and other fatty acids, comparison of degradation and biosynthesis of FA, regulation, metabolic interrelations of FA and carbohydrates in human body. Overview of membrane Lipids, Steroids and Cholesterol. Glycolipids, phospholipids, sphingolipids, structure, physiological role, biosynthesis and degradation, cholesterol: membrane component, precursor of bile salts and steroid hormones, synthesis of cholesterol, regulatory enzyme, regulation of biosynthesis, degradation of cholesterol: bile acids and steroid hormones, vitamin D.
6. Amino Acids Metabolism
Biological importance, energy yield, precursors of many biomolecules, ketogenic and glucogenic AA, metabolic reactions of amino- and carboxy-groups and their biological usefulness. Urea cycle – reaction sequence, control of urea cycle, location, metabolic degradation of AA carbon skeletons (individual AA). Reduction of N2, nitrogenase complex, assimilation NH4 to AA, nitrogenous derivatives of AA.
7. Citric Acid Cycle
Overview of the citric acid cycle, reactions and regulation of the citric acid cycle (CAC), amphibolic character of the CAC, anaplerotic sequences of the CAC, glyoxylate cycle.
8. Respiratory Chain and Oxidative Phosphorylation
Significance, localization, composition and function of complexes, cytochromes, inhibition of respiratory chain, Q cycle, respiratory control, chemiosmotic hypothesis, coupling of oxidation and phosphorylation, ATP synthesis and regulation.
9. Metabolism of Nucleotides
Synthesis of purine and pyrimidine ribonucleotides and deoxyribonucleotides, degradation of nucleotides, salvage pathways
10. Transport in Organism, Mitochondrion
Transport across membranes, nonmediated, passive and active transport, transport in mitochondrion
11. Heme and Hemoglobin
Synthesis of heme and its regulation, metabolism of heme to bile pigments, their significance and elimination.
12. Cell-Cell Signalling
Specific receptors mediating the cell signaling, G - proteins, cAMP a mediator of the action of many hormones, protein kinases, phospholipase C signalling pathway, receptors with enzyme function, lipophilic hormones and their cytosolic receptors. Structure and function of hormones, hormone systems and hormone hierarchy
13. Metabolic Interrelationship
Major metabolic pathways – localization, activity, control mechanisms, starve-feed cycle, well-fed state, early fasting state, fasting state, early refed state, glucose homeostasis, control mechanisms at all states, metabolic interrelationship in obesity, exercise and ethanol ingestion.
14. Basics of Xenobiochemistry
Introduction, history, cytochrome P450s, flavin-containing monooxygenases, reductases, conjugation pathways, induction and inhibition of drug metabolism, factors affecting drug metabolism, chiral aspects of drug metabolism, pharmacological and toxicological aspects of drug metabolism.
Practical Exercises
• Qualitative and quantitative determination of amino acids, Properties of protein solutions (isoelectric point, denaturation)
• Protein assays (Biuret reaction, Lowry method)
• Separation of low- and high-molecular weight samples (dialysis and gel filtration)
• Measurement of enzyme activity (activity, specific activity, temperature effect)
• Inhibition of enzymatic activity (assessment of inhibition concentration IC50, effect of inorganic ions)
Seminars
• Enzymes, enzyme kinetics, inhibition
• Metabolism of carbohydrates and their interrelationship, regulation
• Metabolism of lipids and amino acids, their interrelationship and regulation
Poslední úprava: Wsól Vladimír, prof. Ing., Ph.D. (16.09.2024)
Výsledky učení - angličtina
The course General Biochemistry builds upon the knowledge and skills acquired in the subjects: Bioinorganic Chemistry, Organic Chemistry I and II, Morphology and Physiology, Physical Chemistry, and Analytical Chemistry.
Upon successful completion, students understand fundamental biochemical principles, including the structure and function of biomolecules involved in key metabolic pathways and regulatory processes occurring in the human body. Graduates of the course actively navigate topics related to enzymes, including their classification, function, enzyme kinetics, and related kinetic parameters. They perceive living organisms as open, dynamic systems and understand the thermodynamics of biochemical reactions. They are able to describe individual metabolic pathways, including their localization and regulation both at the cellular and whole-body level. Based on the acquired knowledge and skills, students:
Understand the energy exchange and requirements of living organisms;
Understand the central role of enzymes and the options for controlling their activity;
Are familiar with the basic anabolic and catabolic metabolic pathways in humans;
Can describe, using chemical reactions, glycolysis, gluconeogenesis, β-oxidation of fatty acids, fatty acid synthesis, degradation of amino acids to citric acid cycle intermediates and other simple organic molecules, the citric acid cycle, the urea cycle, synthesis and degradation of heme, and synthesis and degradation of nucleotides;
Understand the principle and importance of the respiratory chain in living organisms and its connection to oxidative phosphorylation;
Can explain, using examples, the principles of organic molecule transport across biological membranes;
Understand the interconnection of metabolic pathways to meet the energy demands of cells;
Comprehend the complex regulation of individual metabolic pathways, the necessity for multi-level control, and the principle of signal amplification;
Understand the relationships of nutrient metabolism under various energetic states of the organism;
Can explain and correctly apply the concepts of endogenous substances (eobiotics) and xenobiotics. Using specific examples, they explain their fate in the body, including the role of key biotransformation enzymes, transporters, and other factors influencing metabolism and their mechanisms of action.
Poslední úprava: Wsól Vladimír, prof. Ing., Ph.D. (12.06.2025)
