Βιοχημεία

Εισαγωγή στην έννοια της βιοχημείας. Πεδία συμβολής της επιστήμης της βιοχημείας. Στόχοι του μαθήματος. Η έννοια της ζωής και η αρχιτεκτονική οργάνωση της ζωής στη γη. Οι έννοιες του γονότυπου και του φαινοτύπου. Η πυραμίδα της πολυπλοκότητας. Σύντομη εισαγωγή εννοιών: πρωτεΐνες, ένζυμα και αναστολείς ενζύμων, αναπνοή, φωτοσύνθεση και σύνθεση οργανικής ύλης στα φυτά, ζυμώσεις, λιπαρά οξέα, κυτταρική μεμβράνη, ελεύθερες ρίζες.

Έννοιες των αμινοξέων και των φυσικοχημικών τους ιδιοτήτων. Πρωτεϊνικά αμινοξέα και πεπτιδικός δεσμός. Οι έννοιες των πεπτιδίων (ολιγο- και πολυ-πεπτίδια) και της πολυπεπτιδικής αλυσίδας. Η διαδικασία από την πολυπεπτιδική αλυσίδα στην πρωτεΐνη. Η σχέση δομής (μορφής) και της δράσης μιας πρωτεΐνης. Η μετουσίωση των πρωτεϊνών.Το βασικό δόγμα της Βιολογίας.

Η έννοια του ενζύμου και τα κυριότερα χαρακτηριστικά τους. Οι όροι ενέργεια ενεργοποίησης και ενεργό κέντρο. Ο έλεγχος της δράσης των ενζύμων. Αναστολείς των ενζύμων και η πρακτική τους χρήση ως φυτοπροστατευτικές ουσίες. Τρόπος δράσης της ενδοτοξίνης του βακτηρίου Bacillus thuringiensis. Έννοιες: συμπαράγοντες, συνένζυμα, προσθετικές ομάδες. Σχέση βιταμινών και συμπαραγόντων. Συνένζυμα και προσθετικές ομάδες. Τρόπος δράσης των συνενζύμων. Υδρόφιλες και λιπόφιλες βιταμίνες. Βιολογικός ρόλος των ανόργανων στοιχείων. Ονοματολογία των ενζύμων. Αντιδράσεις που καταλύουν: η ακετυλοχολινεστεράση, η πολυγαλακτουρονάση, μια εστεράση, μια οξειδοαναγωγάση, μια γλυκοσιδάση, μια πρωτεάση, μια πεπτιδάση.

Δομή και βιολογικός ρόλος της μυοσφαιρίνης και αιμοσφαιρίνης. Δομή και ρόλος της αίμης. Ομοιότητες και διαφορές της αίμης και της χλωροφύλλης. Δομή και βιολογικός ρόλος των κυτοχρωμάτων. Μετατροπή της αιμοσφαιρίνης σε μεθαιμοσφαιρίνη, δηλητηρίαση του αίματος. Νιτρικά και νιτρώδη ιόντα ως αίτια πρόκλησης της δηλητηρίασης του αίματος. Πηγές νιτρικών/νιτρωδών ιόντων στην ανθρώπινη διατροφή. Άλλες πρωτεΐνες ιδιαίτερου βιολογικού ενδιαφέροντος, όπως τα αντισώματα και οι λεκτίνες.

Ο κύκλος του αζώτου. Οι αντιδράσεις ενσωμάτωσης του αμμωνιακού αζώτου στην οργανική ύλη. Το ενζυμικό σύμπλοκο νιτρογενάση. Η βιολογική, συμβιωτική και μη, δέσμευση του ατμοσφαιρικού αζώτου. Ένζυμα της αναγωγής των νιτρικών και νιτρωδών ιόντων στα κύτταρα των φυτών. Νιτροποίηση. Νιτροποιητικά βακτήρια. Απονιτροποιητικά βακτήρια. Νιτρορύπανση των υπόγειων υδάτων. Κύκλος ουρίας. Τα αμινοξέα ως πρόδρομα μόρια άλλων μορίων με βιολογική δράση.

Νουκλεοσίδια και νουκλεοτίδια. Δομή των νουκλεϊκών οξέων (DNA, RNA). Δομή του DNA κατά Watson and Crick.DNA και χρωμοσώματα. Φυσικοχημικές ιδιότητες DNA. Βιολογικός ρόλος του DNA. Αντιγραφή του DNA.

Η μεταγραφή του DNA. Oι μεταγραφικοί παράγοντες και η προαγωγός περιοχή. Σύνθεση νέων RNA μορίων. Το ένζυμο DNA. H κατευθυνόμενη RNA πολυμεράση. Είδη RNA (tRNA, mRNA, rRNA, miRNA).Bιολογικός τους ρόλος. Ωρίμανση των πρωτογενών μετάγραφων: τα εσώνια και τα εξώνια. Το εναλλακτικό μάτισμα.

Οι γενετικές πληροφορίες και η μετάφρασή τους σε αλληλουχία αμινοξέων στις πρωτεΐνες. Ο γενετικός κώδικας και η ανάγνωσή του. Τα κωδικόνια και τα αντικωδικόνια. Στάδια σύνθεσης της πολυπεπτιδικής αλυσίδας. Οι μεταλλάξεις: αίτια και οι συνέπειες. Τοπογραφία του μορίου του mRNA και του DNA (του χρωμοσώματος). Η μοριακή ταυτότητα των γονιδίων: ορισμοί του γονιδίου. Σύνδεση γονότυπου και φαινότυπου.

Οι μορφές ενέργειας του περιβάλλοντος που χρησιμοποιούν τα κύτταρα και οι οργανισμοί. Οι αντιδράσεις με τις οποίες εισέρχεται η ενέργεια του περιβάλλοντος, ανεξάρτητα από τη μορφή της,  στα κύτταρα. Μόρια στα οποία αποθηκεύεται παροδικά η ενέργεια: η ΑΤΡ, το NADP⁺ και το NAD⁺. Ο καταβολισμός, ο αναβολισμός, η φωτοσύνθεση, ο κύκλος ΑΤΡ-ADP. Η πηγή ηλεκτρονίων, ενέργειας και ατόμων άνθρακα στους χημειοργανότροφους  και στους φωτολιθότροφους οργανισμούς. Οι αυτότροφοι και οι ετερότροφοι οργανισμοί. Κατάταξη οργανισμών με βάση την πηγή ηλεκτρονίων, του άνθρακα και της μορφής ενέργειας. Ο κύκλος οξυγόνου και άνθρακα

Η αερόβιος αναπνοή.Tο ακετύλιο και το ακετυλοσυνενζυμο-Α: πηγές και η τύχη του. Ο κύκλος Krebs, οι πρώτες ύλες και τα τελικά προϊόντα των αντιδράσεων του κύκλου Krebs. Οι οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις του κύκλου Krebs.  Ο ρόλος του NAD⁺ και του FAD. Η αναπνευστική αλυσίδα: δομή και λειτουργία της. Η χημειοωσμωτική θεωρία του Mitcell  και ο μηχανισμός παραγωγής της ΑΤΡ: η πρωτονιοεγερτική δύναμη, το ενζυμικό σύμπλοκο ΑΤΡ-συνθάση και η οξειδωτική φωσφορυλίωση. Οι αντιδράσεις στις οποίες συμμετέχει το οξυγόνο που εισπνέουμε και η τύχη του.

Ενεργειακός μεταβολισμός των βακτηρίων που διαθέτουν αναπνευστική αλυσίδα (όπως τα μιτοχόνδρια) και το ένζυμο ΑΤΡ-συνθάση (όπως το μιτοχόνδριο): αερόβιος και αναερόβιος αναπνοή. Τα μεθανοποιητικά βακτήρια

Ο χλωροπλάστης και τα θυλακοειδή. Οι φωτοσυνθετικές χρωστικές. Τα φωτοσυστήματα, τα φωτοχημικά κέντρα και το κυτόχρωμα bf. Η δέσμευση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από τις χρωστικές και τα γεγονότα που ακολουθούν. Το εξιτόνιο. Οι φωτοχημικές αντιδράσεις και τα τελικά προϊόντα. Η φωτοφωσφορυλίωση (η κυκλική και η μη κυκλική): ο χημειοσμωτικός μηχανισμός παραγωγής ΑΤΡ στους χλωροπλάστες. Οι ομοιότητες και οι διαφορές μεταξύ των μιτοχονδρίων και των θυλακοειδών.

Οι ενεργές μορφές οξυγόνου και οι ελεύθερες ρίζες. Πού και πώς παράγονται. Μηχανισμοί εκκαθάρισης ενεργών μορφών οξυγόνου.

Η γλυκόζη και τα παράγωγά της. Η κυκλοποίηση του μορίου της γλυκόζης, ο ανωμερής άνθρακας και οι διαμορφώσεις του. Η επιμέρεια. Ο γλυκοζιτικός δεσμός, οι κυριότεροι δισακχαρίτες και πολυσακχαρίτες βιολογικού ενδιαφέροντος. Τα κυριότερα γλυκοζίδια.

Κύκλος των φωσφορικών πεντοζών: η σύνθεση της ριβόζης και του NADPH+H⁺ με πρώτη ύλη τη γλυκόζη. Οι αντιδράσεις της γλυκόλυσης: πρώτη ύλη και τελικά προϊόντα. Παραγωγή ΑΤΡ στις αντιδράσεις της γλυκόλυσης:  οι φωσφορυλιώσεις σε επίπεδο υποστρώματος. Η μοναδική οξειδοαναγωγική αντίδραση της γλυκόλυσης. Η τύχη του NADH+H⁺ σε αερόβιες και σε αναερόβιες συνθήκες. Οι ζυμώσεις: Η βιομηχανία αλκοολούχων ποτών και η γαλακτοβιομηχανία. Η κάλυψη των αναγκών σε γλυκόζη των μηρυκαστικών ζώων τρεφόμενα με κυτταρινούχες τροφές (άχυρο). Τα βιοκαύσιμα: Πρώτες ύλες.

Οι βιοσυνθετικές αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης στα C-3 & C-4 φυτά. Η διπλή καταλυτική δράση, οξυγονωτική και καρβοξυλιωτική του ενζύμου RubisCO και οι συνέπειες. Η λίπανση των θερμοκηπίων με CO₂. Η φωτοαναπνοή. Το φαινόμενο θερμοκηπίου, που οφείλεται, ποιές οι συνέπειες.

Η δομή των μεμβρανών και ο βιολογικός τους ρόλος. Τα δομικά συστατικά των μεμβρανών, οι φυσικοχημικές ιδιότητές τους. Ο βιολογικό ρόλος του καθενός από αυτά. Ο βιολογικός ρόλος των πρωτεϊνών της μεμβράνης: η διάχυση και η ενεργός μεταφορά. Που οφείλεται η ευκαμψία των μεμβρανών. Γιατί θα πρέπει να διαθέτουν ένα συγκεκριμένο βαθμό ευκαμψίας. Πώς επιτυγχάνεται αυτός ο στόχος.

Η λιπιδική υπεροξείδωση, αίτια και οι συνέπειες. Μηχανισμοί προστασίας των μεμβρανών. Η βιταμίνη Ε, η C και η γλουταθειόνη: ο βιολογικός τoυς ρόλος. Η δράση του ενζύμου υπεροξειδάση της γλουταθειόνης  που περιέχει σελήνιο. Τα μόρια που δρουν ως άμεσοι εκκαθαριστές των ελεύθερων ριζών. Οι πολυφαινόλες

Οι τριακυλογλυκερόλες, τα γλυκερίδια, τα τριγλυκερίδια. Τα λίπη και τα έλαια. Χρήση των ελαίων  για τη σύνθεση υδατανθράκων στους βλαστάνοντες σπόρους. Η β-οξείδωση των κορεσμένων λιπαρών οξέων. Η πλήρης οξείδωση σε νερό και σε διοξείδιο του άνθρακα ενός κορεσμένου λιπαρού οξέος με στόχο την παραγωγή ενέργειας (ΑΤΡ).

Τα λιπίδια: κατάταξη, δομή και βιολογικός ρόλος.Το ισοπρένιο και τα ισοπρενοειδή (ή τερπενοειδή). Οι στερόλες και τα στεροειδή. Οι λιποδιαλυτές βιταμίνες και ο βιολογικός τους ρόλος. Τα λιπαρά οξέα, κορεσμένα και ακόρεστα (trans & cis). Kριτήριο ομαδοποίησης σε ω3, ω6 και ω9 των πολυακόρεστων λιπαρών οξέων. Απαραίτητα ω3 και ω6 για τους ανώτερους ζωικούς οργανισμούς. Σύνθεση λιπαρών οξέων. Οι πρώτες ύλες και οι μεταβολικές οδοί σύνθεσης λιπαρών οξέων. Η δράση των αποκορεσμασών. Το αραχιδονικό οξύ και τα εικοσινοειδή. Η βέλτιστη αναλογία ω3 προς ω6 στις μεμβράνες των κυττάρων