Medical Chemistry and Biochemistry II. - EAP0102070

• Title: Medical Chemistry and Biochemistry II.
• Guaranteed by: Ústav lékařské chemie a biochemie (14-70)
• Faculty: Faculty of Medicine in Pilsen
• Actual: from 2023
• Semester: winter
• Points: 10
• E-Credits: 10
• Examination process: winter s.:
• Hours per week, examination: winter s.:6/3, C+Ex [HT]
• Capacity: unlimited / unlimited (unknown)
• Min. number of students: unlimited
• 4EU+: no
• Virtual mobility / capacity: no
• State of the course: taught
• Language: English
• Teaching methods: full-time
• Teaching methods: full-time
• Note: deregister from the credit exam date if a requisite was not fulfilled; deregister from the exam date if a requisite was not fulfilled; for a repeated registration for Course credit + Exam, the student must have the Course credit exam passed
• Guarantor: doc. Ing. Václav Babuška, Ph.D.; MUDr. Vlastimil Kulda, Ph.D.; doc. MUDr. Jaromír Kotyza, CSc.
• Teacher(s): doc. Ing. Václav Babuška, Ph.D.; prof. MUDr. Radim Černý, CSc.; Ing. Petra Chocholatá, Ph.D.; Mgr. Jana Kolaja Dobrá, Ph.D.; MUDr. Vlastimil Kulda, Ph.D.
• Attributes: Povinné předměty pro Všeobecné lékařství
• Co-requisite : EAP0101070
• Pre-requisite : EAP0101030
• Interchangeability : EA0104137
• Is pre-requisite for: EAP0103500, EAP0103320, EAP0103090, EAP0103100
• Is interchangeable with: EA0104137

Annotation

English

Last update: Mgr. Martina Buriánková (15.01.2020)

Amino acids and proteins. Enzymes. Thermodynamics of biochemical events. Respiratory chain and energy formation.
Citrate cycle. Glycolysis. Conversions of pyruvate. Pentose phosphate pathway. Gluconeogenesis. UDP derivatives of
carbohydrates, metabolism of glycogen. Metabolism of galactose and fructose. Metabolism of lipids, oxidation ans
biosynthesis of fatty acids. Laboratory methods in biochemistry.


Metabolism of membrane lipids, lipoproteins, steroids. Metabolism of amino acids. Nucleotides, chemistry and biology of
nucleic acids. Molecular diseases, DNA diagnostics. Porphyrins, hemoglobin, plasmatic proteins. Biochemistry of connective
tissue, bone and teeth. Biochemistry of liver, kidney, muscles and brain. Xenobiochemistry. Foundations of laboratory
enzymology, clinical biochemistry and examination of body fluids.

Czech

Last update: Mgr. Martina Buriánková (15.01.2020)

Metabolismus lipidů, oxidace a tvorba mastných kyselin. Metabolismus membránových lipidů, lipoproteiny,
steroidy. Metabolismus aminokyselin. Metabolismus nukleotidů a nukleových kyselin. Molekulární choroby, DNA
diagnostika. Porfyriny, hemoglobin, plazmatické proteiny. Acidobazická rovnováha. Kyslíkové radikály a
antioxidační ochrana organismu. Biochemie pojivové tkáně, kostí a zubů. Biochemie jater, ledvin, svalů, CNS.
Biochemie výživy a hladovění. Xenobiochemie. Regulace biochemických pochodů.

Course completion requirements

Last update: MUDr. Vlastimil Kulda, Ph.D. (04.01.2024)

Conditions for the awarding of course credit:

 1.    Full attendance at the laboratories. Absences from laboratory exercises 1–6 can be substituted during January after reservation in the Moodle course.

       Absences from laboratory exercises 7–9 (molecular biology) can be compensated by preparing a seminar paper.

2.    Completed lab reports from all laboratory exercises (completed worksheets).

3.    Completion of all evaluated activities in the Moodle course Medical Chemistry and Biochemistry II.

4.    Credit test successfully passed. The number of attempts is limited to three. If the student does not use these three options within the announced dates, there is no right to ask for an extra date.

Final exam:

To register for the final exam credits from the subject Medical Chemistry and Biochemistry I. (first year, summer semester) and from the subject Medical Chemistry and Biochemistry II. (second year, winter semester) are required. Other conditions for registering for the exam are given in the prerequisites. The exam consists of a written and an oral part. Students successful in the written part proceed to the oral part. To complete the oral part, it is necessary to answer the drawn questions - questions concerning the content of both, lectures and practicals.

If the student did not pass the exam, he/she must pass the whole exam again, i.e. both, the written and the oral part.

Literature

Last update: doc. Ing. Václav Babuška, Ph.D. (11.12.2023)

Textbooks:

Kennelly PJ, Botham KM, McGuinness OP, Rodwell VW, Weil P. eds. Harper's Illustrated Biochemistry, 32e. McGraw Hill; 2023.

Ferrier D.R.: Lippincott Illustrated Reviews: Biochemistry. Seventh Edition. Wolters Kluwer, Philadelphia 2017.

Requirements to the exam

Last update: MUDr. Vlastimil Kulda, Ph.D. (27.09.2021)

Requirements for the exam are given by the range of lectures, seminars and laboratory exercises.

Syllabus

English

Last update: Mgr. Jana Kolaja Dobrá, Ph.D. (03.10.2022)

1. Introduction to biochemistry

Biochemistry within the system of biological, chemical and medical sciences. The role of biochemistry in contemporary medicine and its perspectives.

2. Properties of peptides and proteins

Amino acids, their properties, and their classification according to the polarity of their side chains and according to the acid-base properties. Essential and non-essential amino acids. Structure of peptides and proteins, their primary structure. Structures of higher order and their meaning for the function of peptides and proteins.

3. Enzymes

Basic characteristics of enzymes and basic enzyme properties. Substrate and reaction specificity of enzymes. Enzymes as proteins. Apoenzymes and coenzymes. Active sites of enzymes. Mechanisms of catalytic activity, examples. Thermodynamic and catalytic aspects of enzymatic catalysis. Velocity of enzymatic reaction, Michaelis´ constant and its practical meaning. Inhibition of enzymatic reactions. Competitive and non-competitive inhibitors. Allosteric enzymes and allosteric inhibiton and activation and their importance in metabolism. Isoenzymes – relationship to the organization of genes, their importance for the metabolic regulations and for the diagnosis in medicine. Classification and nomenclature of enzymes.

4. Bioenergetics and the role of high energy compounds

Chemical reactions as thermodynamic processes. First and second low of thermodynamics. Enthalpy, free energy, entropy. Endothermic and exothermic reactions. Entropy and living systems. Conservation and transfer of energy in living systems, high energy compounds, ATP.

5. Redox reactions as a source of energy

Oxidation and reduction. Redox potential and standard redox potential. Thermodynamics of electron transfer. Redox reactions as a main source of energy in aerobic organisms.

6. The respiratory chain and oxidative phosphorylation

Mitochondria and its structure. Dehydrogenases and their function. Coenzymes NAD, NADP, FMN, and FAD. NADH dehydrogenase, coenzyme Q, cytochrome system. Cytochrome c reductase and cytochrome c oxidase. Organisation of the respiratory chain, transfer of electrons and transfer of protons. Formation of proton gradient and its usage. ATP synthesis as a function of proton gradient. Stoichiometry of dehydrogenation and formation of ATP. Proton gradient and formation of heat. Inhibitors of the respiratory chain, their experimental and medical importance.

7. The citrate cycle

Structure of CoA, its formation and function. Acetyl-CoA. Description of individual reactions of the citrate cycle. Dehydrogenation steps in citrate cycle and their connection with the respiratory chain. Energy output of the citrate cycle. Regulation of the citrate cycle at the individual enzyme level. Amphibolic character of the citrate cycle – the need for the supplementing (anaplerotic) reactions – pyruvate carboxylase. Mechanism of carboxylation, the role of biotin.

8. Glycolysis

Description of individual glycolytic reactions and glycolytic enzymes. Glycolysis in aerobic and in anaerobic conditions. Formation of lactate. Relationship between glyceraldehydephosphate dehydrogenase and lactate dehydrogenase and its importance. Energy production in glycolysis under aerobic and anaerobic conditions. Regulation of glycolysis – importance of phosphofructokinase and fructose-2,6-bisphosphate. Activation of feed-forward type.

9. Metabolism of pyruvate

Anaerobic conversion into lactate and its importance. Alcoholic fermentation. Carboxylation of pyruvate into oxaloacetate. Oxidative decarboxylation of pyruvate into acetyl-CoA. Total energy production of glucose metabolism under different conditions. Compartmentation of individual processes in the cell, connection of extra- and intramitochondrial redox processes, malate shunt and glycerolphosphate shunt.

10. Gluconeogenesis

Description of individual steps in gluconeogenesis, relation to the glycolysis. Non-reversible reactions of glycolysis and their specific solution in gluconeogenesis. Cycling of some reactions and its meaning. Regulation of gluconeogenesis in connection with regulation of glycolysis.

11. Synthesis and degradation of glycogen

Structure of glycogen, reducing end non-reducing ends of the molecule. The role of glycogen in the energy producing metabolism. Degradation of glycogen. Phosphorylase, mechanism of activity, its regulation. cAMP cascade. Debranching enzyme, its transferase and glucosidase activity. UDP-glucose. Gycogen synthase and branching enzyme. The overall regulation of glycogen metabolism. Control of blood glucose.

12. The pentose phosphate pathway

Description of individual steps of pentose cycle. Importance of glucose-6-phoshpate dehydrogenase for production of NADPH, reduced glutathion and degradation of peroxides. Formation of pentoses and their significance. Transaldolase and transketolase. Relationship between the pentose cycle and glycolysis. The role of pentose cycle in photosynthesis. Brief description of photosynthesis as a basic process in autotrophic organisms

13. Metabolism of other saccharides

Carbohydrates as nutrients. Digestion of starch and glucose resorption. Digestion of sucrose, utilisation of fructose and its problems. Conversion of glucose to galactose, biosynthesis of lactose. Digestion of lactose, utilisation of galactose and its disorders.

14. Metabolism of fatty acids

Fatty acids in energy-producing metabolism. Activation of fatty acids – acyladenylates and acyl-CoA. Transport of activated fatty acids into mitochondrial matrix, acyl-carnitine. Beta-oxidation of fatty acids, production of acetyl-CoA. Energy output of fatty acid oxidation. Comparison with carbohydrates with respect to the oxygen consumption and energy production. Degradation of fatty acids in mitochondria and in peroxisomes. Biosynthesis of fatty acids. Transfer of substance and reducing potential for this synthesis from mitochondria into cytosol. Formation of malonyl-CoA and its regulation. Importance of ACP (acyl-carrying protein) and its role in fatty acid synthesis. The regulation of fatty acid synthesis and degradation.

15. Ketone bodies. Relations between the carbohydrate and fatty acid metabolism

Conversion of acetyl-CoA into 3-hydroxy-3-methyl-glutaryl-CoA (HMG). Formation of acetoacetate and other ketone bodies. Ketone bodies as water-soluble equivalent of fatty acids. Utilisation of ketone bodies in different tissues. Ketone bodies in starvation. Equilibrium of ketone bodies formation and utilisation. Conversion of carbohydrates into fatty acids and triacylglycerols, impossibility to convert fatty acids into carbohydrates. Explanation of this phenomenon. Metabolic disorders related to the preferential utilization of fatty acids, starvation, diabetes mellitus. Ketone bodies as indicators of metabolic disorder, ketoacidosis.

16. Triacylglycerols in metabolism

Triacylglycerols (TAG) as energy storage molecules. Their biosynthesis and degradation. TAG in nutrition. Digestion and resorption of TAG. Resynthesis of TAG in enterocytes and formation of chylomicrons. (VLDL). Lipoprotein lipase. Utilisation pf fatty acids in different tissues, utilisation in adipocytes. The dynamic equilibrium (steady state) of stored TAG in adipocytes. The absence of glycerol kinase in adipose tissue and its significance. Blood glucose level and TAG in adipocytes. Hormone-sensitive lipase and its regulation. Mobilisation of fat in adipose tissue. Free fatty acids (FFA) in blood and their transport on albumin.

17. Metabolism of cholesterol

Biosynthesis of cholesterol. HMG reductase as the checkpoint of cholesterol synthesis and target of therapeutic action. The role of cholesterol in organism and the role of the liver in cholesterol metabolism. Degradation and excretion of cholesterol. Primary and secondary bile acids and their importance, their enterohepatic circulation. The excretion of bile acids, the influence of dietary fiber and therapeutic agents.

18. Lipoproteins of blood plasma

Digestion and resorption of lipids. Formation of chylomicrons, their circulation and degradation with lipoprotein lipase. Fianl degradation of chylomicrons remnant in the liver. Formation of VLDL in the liver, circulation, degradation and conversion to LDL. The role of LDL and LDL receptors. Reverse transport of cholesterol, HDL. The role of individual apoproteins, their biological significance. The risk factors of atherosclerosis. The examination of lipoproteins, hyperlipoproteinemias.

19. Steroid hormones and vitamins D

Vitamin D and its conversion to calcitriol. Biosynthesis of individual groups of steroid hormones, their significance in organism. Degradation of steroid hormones and the estimation of degradation products in body fluids.

20. Metabolism of acylglycerols and sphingolipids

Biosynthesis of diacylglycerol phosphate (phosphatidate), activation to CDP-derivative, formation of phosphatidylserine, phosphatidylethanolamine, phosphatidylcholine, phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate. Cardiolipins, ether phospholipids, plasmalogens, PAF. Phospholipases, their role in degradation and in production of regulatory molecules – diacylglycerol and inositol trisphosphate. Biosynthesis of sphingosine, ceramide and sphingolipids – sphingomyelins, cerebrosides, sulfatides, and gangliosides. Degradation of sphingolipids, sphingolipidoses.

21. Metabolism of unsaturated fatty acids and eicosanoids

The most important unsaturated fatty acids and their significance. Desaturases, their significance and limitations. Elongases, combinatory effects with desaturases. Essential fatty acids. Formation of eicosanoids – prostaglandins, prostacyclins, thromboxanes, and leukotriens. Cyclic and linear pathways of their synthesis. Effect of aspirin and non-steroid analgetics, antiphlogistics, and antipyretics. Polyunsaturated fatty acids, EPA, their significance.

22. Metabolism of amino acids – overview

Nitrogen-containing compounds in metabolism. Autotrophs and heterotrophs in amino acid metabolism, essential amino acids. Digestion of proteins, resorption of amino acids. Degradation of amino acids. Ammonotelic, ureotelic, and uricotelic organisms. Degradation of amino acids in humans, central role of glutamate and aspartate. Oxidative deamination, transamination. Detoxification of ammonia, glutamine. Urea cycle. Relationship of urea cycle and acid-base balance.

23. Metabolism of individual amino acids

Glycogenic and ketogenic character of amino acid products. Glutamate – degradation, formation of glutamine, proline, ornithine, arginine, and GABA. Formation of NO. Aspartate – degradation, donation of amino-group, formation of asparagine, role in the synthesis of pyrimidines. Alanine – degradation. Methionine – transmethylation, degradation, formation of cysteine. Cysteine – degradation, cysteic acid, taurine, PAPS (active sulphate). Selenocysteine and selenomethionine. Valine, leucine, isoleucine – degradation and significance. Phenylalanine and tyrosine – phenylalanine hydroxylase, PKU. Formation of catecholamines, their degradation, melanines. Metabolic disorders of tyrosine. Threonine – degradation. Tetrahydrofolate and its role in metabolism. Metabolism of glycine and serine, choline cycle, degradation. Histidine – biosynthesis and degradation, histamine. Tryptophan – formation of tryptamine, serotonine, melatonine, degradation.

24. Biosynthesis of porphyrins and heme, their degradation

Biosynthetic pathway of porphyrins, formation of heme, its significance. Heme degradation –biliverin, bilirubin, conjugation of bilirubin, urobilinogens, urobilins. Relationship of bile pigments to the liver function, diagnosis of jaundice.

25. Biosynthesis and degradation of nucleotides

Biosynthesis of pyrimidine nucleotides, its regulation. Biosynthesis of purine nucleotides, its regulation. APRT and HGPRT and their significance for the regulation of purine synthesis. The role of nusleotides in metabolism. Formation of deoxynucleotides, ribunucleotide reductase, thioredoxin. Mechanism of methylation of dUMP to dTMP. Degradation of nucleotides, nucleosides, and bases. The sigificance of AMP deaminase and adenosine deaminase. Formation of uric acid and its importance.

26. Nucleic acids – structure and function

The common principles and differences in structure of DNA and RNA. The significance of structure for the function. The principle of complementarity and its significance for the maintainance and usage of genetic information. Primary, secondary and structure of higher orders in DNA. Estimation of DNA sequence. Chromatin, its structure.

27. Biosynthesis of nucleic acids

Biosynthesis of DNA. DNA polymerases, DNA ligases. Mechanism of DNA replication. Telomers and their significance. Postsynthetic control of replicated DNA, mismatch repair. DNA repair. RNA polymerases, biosynthesis of the different types of RNA. Regulation of transcription, posttrancriptional modifications of rRNA, tRNA, mRNA. Mechanism of splicing and its significance. Structure and organisation of the gene, gene families, relationship towards isoenzymes.

28. Proteosynthesis

The role of individual RNA types in proteosynthesis. The structure of ribosome. Codon and anticodon. Genetic code, its principles. Mutations, their significance. Proteosynthetic mechanism. Postsynthetic modifications of proteins. The role of signal peptide and endoplasmic reticulum. Glycosylation, phosphorylation, proteolysis, and other modifications of proteins.

29. Replication cycles of viruses

Viruses as models of nucleic acid replications. Mechanism of replication of DNA viruses. Lysogenic viruses. Mechanism of replication of RNA viruses. Retroviruses, mechanism of their replication. HIV. Viruses in oncogenesis. Oncogenes, protooncogenes.

30. Molecular biology as a tool for biomedical research

Restriction endonucleases and their role in manipulation with DNA. DNA cloning. Genomic and cDNA libraries, their usage. Production of recombinant proteins in bacterial cells, diagnostic and therapeutic significance. PCR, its methodological and diagnostic significance. Use of DNA and RNA analysis in diagnosis. siRNA as a tool in regulation of gene expression in research and in therapy. Principles of gene and cell therapy.

31. Hemoglobin, its structure and function

Hemoglobin structure, gene families for alpha- and beta- globins, their significance. Hemoglobin function as transport molecule and as a buffer, the connection of both functions. Hemoglobin as allosteric molecular complex. The role of BPG, CO₂ and protons in regulation of hemoglobin functions. Molecular mechanism of Bohr´s effect.

32. Immunoglobulins - structure and function

Structure of immunoglobulins, heavy and light chains, constant and variable parts. Immunoglobulin classes, their structural basis. The structure of immunoglobulin genes, their reconstruction and gene expression. Mechanism of production of individual immunoglobulin classes. Stracture and meaning of T-receptors, their analogy with immunoglobulins. Other proteins of immunoglobulin superfamily, biological role of MHC I and MHC II.

33. Biochemistry of the liver and basic xenobiochemistry

The role of liver parenchyme in carbohydrate, lipid, and amino acid metabolism. The role of the liver in biotransformation (xenobiochemistry). Main mechanisms of biotransformation, two-step system. Examples of biotransformation. Possible toxic and cancerogenic effect of biotransformation.

34. Biochemistry of the muscle

The main muscle proteins and their role in muscle contraction. Mechanism of muscle contraction, its regulation. The role of calcium ions, trponin, tropomyosin, actin and myosin, role of ATP. Contraction in smooth and striated muscle. Metabolism in muscle, role of myoglobin, creatine, glycogen, oxidative processes, and anaerobic processes. The cytosceleton.

35. Neurobiochemistry

Specific aspects of neural tissue metabolism. Oxygen consumption and glucose consumption, the reasons. Metabolism of ketone bodies in brain. Metabolism of amino acids in brain. Some properties of hematoecephalic barrier and its significance. Neural synapses – cholinergic, adrenergic, GABA. The overview of neurotransmitters.

36. Structure and function of membranes

The structure of different membranes and reasons for their composition. Transfer of molecules across the membrane. The need for transporting mechanisms: passive transport, cotransport, antiport, active transport, secondary active transport. The principle of pump and channel, the significance.

37. Biochemistry of extracellular matrix

Extracellular matrix, its composition and function. Collagens, their role in tissues. Biosynthesis of collagen, posttranslation processing. Other matrix proteins – elastin, fibronectin, connection with cells, integrins. Proteoglycan complexes in connective tissue, their significance. Bone and tooth mineral, composition, formation, resorption.

38. Biochemistry of nutrition and starvation

Composition of human body and the need for permanent turnover and energy formation. Food components and the requirements for the correct food composition. Essential components of the diet. Starvation, 4 phases according to the type of metabolism. Characterisation of metabolism in prolonged starvation.

39. Antimetabolites and their significance

Antimetabolites. the use of competitive inhibitors as antimetabolites for treatment purposes. Examples of successful antimetabolites: analogues of THFA, analogues of bases, nucleosides, nucleotides, and coenzymes. Importance for chemotherapy and transplantations.

40. Oxygen derived free radicals, antioxidation protection in organism

Properties of molecular oxygen, tendency to form free radicals: superoxide ion, hydroperoxyl radical, hydrogen peroxide, hydroxyl radical. Radical reactions, peroxidation of lipids. Protection: superoxide dismutase, peroxidases, catalase, glutathione peroxidase, glutathione reductase. Relationship to the pentose cycle, possible disorders. Other free radical (not oxygen derived), negative effect of biotransformation. Free radical scavangers, antioxidants.

41. Regulation of biochemical processes

Regulation in time – regulation of gene expression, regulation of enzymes, allosteric enzymes. regulation in space – compartmentalization and regulated transport. Metabolites forming levels and metabolites passing through the tunnels.

Czech

Last update: Mgr. Jana Kolaja Dobrá, Ph.D. (03.10.2022)

1. Úvod do studia biochemie

Biochemie a její místo v systému biologických, chemických a lékařských věd. Úloha biochemie v současné medicíně, její perspektivy.

2. Vlastnosti peptidů a proteinů

Rekapitulace aminokyselin a jejich třídění z hlediska polarity vedlejších řetězců, z hlediska acidobasických vlastností a z hlediska esenciálnosti. Výstavba peptidů a proteinů, jejich primární struktura. Informace o zjišťování primární struktury. Struktury vyšších řádů a jejich význam pro funkci peptidů a proteinů.

3. Enzymy

Základní charakteristika enzymů a základní vlastnosti enzymů. Substrátová a reakční specifita enzymů. Enzymy jako bílkoviny. Apoenzymy a koenzymy. Aktivní centrum enzymů. Mechanismus katalytického působení enzymů, příklady. Thermodynamické a kinetické aspekty enzymové katalysy. Rychlost enzymové reakce, Michaelisova konstanta a její praktický význam. Inhibice enzymové reakce. Inhibitory kompetiční a nekompetiční. Allosterické enzymy a allostrická inhibice a aktivace, její význam v metabolismu. Isoenzymy – vztah ke genovému uspořádání, význam funkční a medicinsko-diagnostický. Klasifikace enzymů.

4. Energetika metabolismu, úloha makroergních sloučenin

Chemické děje z thermodynamického hlediska. První a druhá věta thermodynamická. Enthaplie, volná energie, entropie. Děje endo- a exotermické. Entropie a živé systémy. Konzervace a přesun energie v živém systému, makroergní sloučeniny, ATP.

5. Oxidoredukční děje jako zdroj energie

Oxidace a redukce. Redoxní potenciál a standardní redoxní potenciál. Thermodynamika přenosu elektronů. Redoxní děje jako hlavní zdroj energie aerobních organismů.

6. Tkáňové dýchání a jeho význam v metabolismu

Mitochondrie a její stavba. Dehydrogenasy a jejich funkce. NAD a NADP. FMN a FAD. NADH dehydrogenasa. Koenzym Q. Cytochromový systém. Cytochrom c reduktasa  a cytochrom c oxidasa. Celkové uspořádání dýchacího řetězce, přesuny elektronů a přesuny protonů. Vznik protonového gradientu a jeho využití. Syntéza ATP jako důsledek protonového gradientu. Stechiometrie dehydrogenace a tvorby ATP. Protonový gradient a tepelná regulace. Inhibitory tkáňového dýchání, jejich experimentální a medicinský význam.

7. Citrátový cyklus

Struktura KoA, jeho vznik a funkce. Acetyl-KoA. Sled a popis metabolických přeměn v citrátovém cyklu. Dehydrogenační stupně citrátového cyklu a jejich spojení s tkáňovým dýchaním. Energetický výtěžek citrátového cyklu. Regulace citrátového cyklu na úrovni jednotlivých enzymů. Amfibolická povaha citrátového cyklu - nutnost doplňování cyklu. Hlavní anaplerotické (doplňující) reakce - pyruvátkarboxylasa. Mechanismus karboxylace, úloha biotinu.

8. Metabolismus sacharidů - glykolysa

Popis jednotlivých glykolytických přeměn a enzymů katalyzujících tyto reakce. Glykolysa v aerobních a anaerobních podmínkách. Význam a vzájemné propojení glyceraldehydfosfátdehydrogenasy a laktátdehydrogenasy. Vznik laktátu. Energetický výtěžek glykolysy v aerobních a anaerobních podmínkách. Regulace glykolysy. Význam fosfofruktokinasy a fruktosa-2,6-bisfosfátu. Aktivace typu feedforward.

9. Další přeměny pyruvátu

Anaerobní přeměna na laktát a její smysl. Alkoholové kvašení. Karboxylační přeměna na oxalacetát. Oxidační dekarboxylace pyruvátu a přeměna na acetyl-KoA. Celková energetická bilance přeměny glukosy za různých podmínek. Lokalizace jednotlivých metabolických pochodů v buňce, spojení extra- a intramitochondriálních redoxních dějů, malátový spoj, glycerolfosfátový spoj.

10. Glukoneogenesa

Popis jednotlivých stupňů glukoneogenese - vztah ke glykolyse. Odlišné reakce glykolysy a glukoneogenesy. Cyklování těchto metabolických stupňů a jeho význam. Regulace glukoneogenesy.

11. Vznik a odbourávání glykogenu

Struktura glykogenu, redukující a neredukující konce molekuly. Význam glykogenu v celkové koncepci energetického  metabolismu. Odbourání glykogenu. Fosforylasa a mechanismus její aktivace a regulace. cAMP kaskáda. Odvětvující enzym a jeho transferasová a glukosidasová aktivita. Thermodynamika metabolismu glykogenu. UDP-glukosa. Glykogensynthasa a větvící enzym. Celková regulace metabolismu glykogenu. Regulace hladiny glukosy v krvi.

12. Pentosový cyklus

Popis jednotlivých stupňů pentosového cyklu. Význam glukosa-6-fosfátdehydrogenasy pro vznik NADPH, redukovaného glutathionu a odbourání peroxidů. Vznik pentos a jejich význam. Transaldolasa a transketolasa. Spojení metabolitů pentosového cyklu s glykolysou. Význam pentosového cyklu pro fotosyntézu. Stručný popis fotosyntézy jako základního děje autotrofních organismů.

13. Metabolismus dalších sacharidů

Sacharidy ve výživě. Trávení škrobu a resorpce glukosy. Trávení sacharosy, utilizace fruktosy a její problémy. Přeměna glukosy na galaktosu, biosyntéza laktosy. Trávení laktosy, utilizace galaktosy a její poruchy.

14. Přeměny mastných kyselin

Mastné kyseliny jako předmět energetického metabolismu. Aktivace mastných kyselin - acyladenyláty a acyl-KoA. Transport aktivovaných mastných kyselin do mitochondrie. Acyl-karnitin. Beta-oxidace mastných kyselin, vznik acetyl-KoA. Energetický výtěžek oxidačního zpracování mastných kyselin. Porovnání oxidačních přeměn sacharidů a mastných kyselin z hlediska enegetického výtěžku a z hlediska spotřeby kyslíku. Odbourání mastných kyslin v mitochondriích a v peroxisomech. Biosyntéza mastných kyselin. Přesun látkového a redukčního potenciálu pro tuto syntézu z mitochondrie do cytoplasmy. Tvroba malonyl-KoA a její regulace. Význam ACP a vlastní tvorba mastné kyseliny. Vzájemná regulace odbourávání a tvorby mastných kyselin.

15. Vznik ketolátek. Vzájemné vztahy metabolismu sacharidů a mastných kyselin.

Přeměna acetyl-KoA na hydroxymethylglutaryl-KoA. Vznik acetoacetátu a dalších ketolátek. Ketolátky jako ve vodě rozpustný ekvivalent mastných kyselin. Význam ketolátek při hladovění. Utilizace ketolátek myokardem, ledvinou a jinými tkáněmi, utilizace v mozku. Problém rovnováhy mezi tvorbou a utilizací ketolátek. Vzájemné přeměny sacharidů a tuků. Přeměna sacharidů na mastné kysliny a tuky. Nemožnost přeměny mastných kyselin na sacharidy zdůvodnění tohoto jevu. Metabolický rozvrat při jednostranné utilizaci tuků, diabetes mellitus. Ketolátky jako indikátor rozvratu, ketoacidosa.

16. Triacylglyceroly v metabolismu

Triacylglyceroly jako zásobní látky. Jejich biosyntéza a štěpení. Tuky ve výživě. Jejich trávení a utilizace. Resyntéza v enterocytech a formování chylomikronů. VLDL. Lipoproteinlipasa. Utilizace mastných kyselin v různých tkáních, utilizace v adipocytech. Dynamická rovnováha tukových zásob. Absence glycerolkinasy v tukové tkáni a její význam. Vztah glykémie a odbourávání tukových zásob. Hormon sensitivní lipasa a její regulace. Mobilizace tuků. Neesterifikované mastné kyseliny v krvi a jejich transport albuminem.

17. Cholesterol a jeho metabolismus

Biosyntéza cholesterolu. Význam HMG reduktasy jako hlavního regulovaného enzymu této biosyntézy. Hlavní úkoly cholesterolu v organismu. Odbourávání a vylučování cholesterolu. Tvorba žlučových kyselin. Kyselina cholová a chenodeoxycholová, jejich přeměny na deoxycholovou a lithocholovou. Význam žlučových kyselin, jejich enterohepatální oběh. Možnost terapeutických zásahů do metabolismu cholesterolu na úrovni kompetičních inhibitorů HMG reduktasy a na úrovni vylučování žlučových kyselin.

18. Lipoproteiny krevní plasmy, jejich přeměny a význam

Trávení tuků a jejich resorpce. Formování chylomikronů, jejich cirkulace a rozklad lipoproteinlipasou. Odbourání chylomikronů remnans v játrech. Tvorba VLDL v játrech, jejich cirkulace v plasmě, odbourávání mastných kyselin, přeměna na IDL. Vznik LDL a jejich cirkulace. LDL receptory, utilizace LDL. Reversní transport cholesterolu, HDL, jejich vznik, význam a odbourání. Role jednotlivých apolipoproteinů a hlavních enzymů přeměn lipoproteinů. Zhodnocení jednotlivých typů lipoproteinů z hlediska jejich biologického významu a z hlediska významu rizik atherosklerosy. Vyšetření lipoproteinů krevní plasmy, hyperlipoproteinemie.

19. Steroidní hormony a vitaminy D

Vitamin D a jeho přeměny na kalcitriol. Biosyntéza jednotlivých skupin steroidních hormonů, jejich význam v metabolismu. Odbourání steroidních hormonů a možnosti stanovení jejich metabolitů.

20. Metabolismus acylglycerolů a sfingolipidů

Biosyntéza diacylglycerolfosfátu, aktivace na CDP-derivát, vznik fosfatidylserinu, fosfatidylaminoethanolu a fosfatidylcholinu. Inositolfosfatidy, kardiolipiny, etherové fosfolipidy a plasmalogeny, PAF. Fosfolipasy a jejich role v odbourávání fosfolipidů, produkce regulačních molekul - diacylglycerolu a inositoltrisfosfátu. Vznik sfingosinu, ceramidu a sfingolipidů - sfingomyelinů, cerebrosidů, sulfatidů a gangliosidů. Obecné zásady degradace sfingolipidů, možnost vzniku sfingolipidos.

21. Metabolismus nenasycených mastných kyselin a eikosanoidů.

Přehled nejdůležitějších nenasycených mastných kyselin a jejich význam. Desaturasy, jejich význam a limitace účinku. Elongasy a jejich kombinace s funkcí desaturas. Podstata esenciálních mastných kyselin. Vznik eikosanoidů - prostaglandinů, prostacyklinů, tromboxanů a leukotrienů. Cyklická a lineární dráha jejich syntézy, význam těchto produktů. Účinek aspirinu, podstata účinku nesteroidních analgetik, antiflogistik a antipyretik. Význam polyenových mastných kyselin, zejména EPA, na metabolismus eikosanoidů, jejich význam ve výživě.

22. Metabolismus dusíkatých látek - obecná část

Význam dusíkatých látek v metabolismu. Autotrofní a heterotrofní organismy z hlediska dusíkatého metabolismu. Esenciální aminokyseliny, dusíkatá bilance. Trávení bílkovin, vstřebávání aminokyselin. Degradace aminokyselin a dusíkatých látek. Organismy amonotelní, ureotelní a urikotelní. Odbourávání aminokyselin, centrální postavení glutamátu a aspartátu. Oxidační deaminace a transaminace. Detoxikace čpavku, význam glutaminu. Cyklus močoviny. Vztah cyklu močoviny k regulaci acidobasické rovnováhy.

23. Přeměny jednotlivých aminokyselin

Glukogenní a ketogenní povaha degradačních produktů aminokyselin. Glutamát - degradace, vznik prolinu, ornithinu, argininu a GABA. Vznik a význam NO. Aspartát - degradace, donor aminoskupiny, úloha při syntéze pyrimidinů. Alanin - degradace. Methionin - trans-methylační pochody, degradace, vznik cysteinu. Cystein - degradace, cysteová kyselina, taurin, PAPS (aktivní sulfát). Selenocystein a selenomethionin. Valin, leucin, isoleucin - jejich význam, degradační dráha. Fenylalanin a tyrosin - fenylalaninhydroxylasa, podstata PKU. Vznik katecholaminů a jejich degradace, vznik prekursorů melaninu. Degradace tyrosinu a její poruchy. Threonin, jeho odbourání. Tetrahydrofolát a jeho úloha v metabolismu, zvláště v přeměnách aminokyselin. Přeměny glycinu a serinu, tzv. cholinový cyklus. Odbourání glycinu a serinu. Histidin - biosyntéza a odbourání. Histamin. Tryptofan - vznik tryptaminu, serotoninu, melatoninu. Odbourání tryptofanu.

24. Biosyntéza porfyrinů, vznik hemu a jeho degradace

Základní metabolity biosyntetické dráhy vzniku porfyrinů, podstata porfyrií. Vznik hemu a jeho význam. Degradace hemu - biliverdin, bilirubin, konjugace bilirubinu, urobolinogeny, urobiliny. Vztah žlučových barviv k funkci jater, diagnostika žloutenek.

25. Biosyntéza a odbourání nukleotidů

Biosyntéza pyrimidinových nukleotidů a její regulace. Biosyntéza purinových nukleotidů a její regulace. Význam APRT a HGPRT pro regulaci syntézy purinových nukleotidů. Význam nukleotidů v metabolismu. Vznik deoxynukleotidů. Methylace dUMP na dTMP. Odbourání nukleotidů, nukleosidů a basí. Význam AMP deaminasy a adenosindeaminasy. Vznik kyseliny močové a její význam.

26. Nukleové kyseliny - struktura a funkce

Společné prvky a odlišnosti ve stavbě DNA a RNA. Význam těchto strukturních rozdílů pro funkci. Princip komplementarity a jeho význam pro uchování a předání genetické informace. Primární, sekundární a vyšší struktury DNA. Princip stanovení primární struktury DNA. Chromatin a základní principy jeho výstavby.

27. Nukleové kyseliny - biosyntéza

Biosyntéza DNA. DNA polymerasy, DNA ligasy. Mechanismus replikace DNA. Telomery a jejich význam. Postsyntetická kontrola replikované DNA. Reparace DNA. RNA polymerasy, biosyntéza jednotlivých typů RNA. Regulace transkripce, posttranskripční úpravy rRNA, tRNA a mRNA. Mechanismus a význam sestřihu (splicingu). Struktura a organizace génu, génové rodiny, vztah k isoenzymům.

28. Proteosyntéza

Úloha jedntlivých typů RNA v proteosyntéze. Stavba ribosomu. Role kodonu a antikodonu. Genetický kod, jeho principy. Mutace, jejich význam. Vlastní mechanismus proteosyntézy. Postsyntetické úpravy proteinů. Role endoplasmatického retikula, signální peptidy. Glykosylace, fosforylace, proteolytické a další úpravy proteinů a jejich význam.

29. Replikační cykly virů

Viry jako modely replikace nukleových kyselin. Mechanismus replikace DNA virů. Lysogenní viry. Mechanismus replikace RNA virů. Retroviry, mechanismus jejich replikace a jeho význam. Virus HIV. Význam virů v onkogenesi, onkogeny a protoonkogeny.

30. Molekulární biologie jako nástroj biomedicínského výzkumu

Restrikční endonukleasy a jejich význam pro manipulaci s DNA. Klonování DNA a jeho význam. Podstata genomových a cDNA knihoven, jejich použití. Podstata přípravy proteinů cestou genové manipulace a exprese v bakteriálních buňkách. Význam pro diagnostické a terapeutické použití. PCR, její metodický a diagnostický význam. Diagnostický význam analýzy DNA a RNA. siRNA jako nástroj regulace genové exprese, nástroj výzkumu a možné terapie. Principy genové a buněčné terapie.

31. Hemoglobin - struktura a funkce

Struktura hemoglobinu, genové rodiny alfa a beta globinů, význam postupné exprese. Funkce hemoglobinu jako transportní molekuly a jako pufru, vzájemná podmíněnost obou funkcí. Hemoglobin jako allosterická molekula. Role BPG, CO₂ a protonů v regulaci funkcí hemoglobinu. Podstata Bohrova efektu.

32. Imunoglobuliny - struktura a funkce

Stavba imunoglobulinů, těžké a lehké řetězce, konstantní a variabilní části. Třídy imunoglobulinů - jejich strukturní podstata. Výstavba imunoglobulinových genů, jejich přestavba a exprese. Mechanismus změn v produkci imunoglobulinů různých tříd. Stavba a smysl T- receptorů, jejich analogie s imunoglobuliny. Další proteiny imunoglobulinové superrodiny - biologická role MHC I a MHC II.

33. Biochemie jater a základy xenobiochemie

Úloha jaterního parenchymu v sacharidovém, lipidovém a dusíkatém metabolismu. Úloha jater v biotransformacích (xenobiochemii). Hlavní mechanismy biotransformací - dvoustupňový mechanismus biotransformací. Příklady biotransformací. Možný toxický a kancerogenní efekt biotransformací.

34. Biochemie svalu

Základní svalové proteiny a jejich role ve svalové kontrakci. Mechanismus svalové kontrakce a její řízení. Úloha kalciových iontů, troponinu, tropomyosinu, aktinu a myosinu. Kontrakce v příčně pruhovaném a hladkém svalu. Metabolismus ve svalové tkáni, úloha myoglobinu, kreatinu, glykogenu, oxidačních procesů a anaerobních procesů.

35. Biochemie nervové tkáně

Zvláštnosti metabolismu nervové tkáně. Spotřeba kyslíku a její důvody, spotřeba glukosy a její důvody, metabolismus ketolátek. Metabolismus aminokyselin v nervové tkáni. Některé vlastnosti tzv. hematoencefalické bariery a její význam. Nervové synapse - cholinergní, adrenergní, GABA. Přehled neurotransmiterů.

36. Struktura a funkce membrán

Výstavba membrán různého typu a důvody jejich složení. Přesun jednotlivých látek přes membrány, nutnost transportních mechanismů: pasivní transport, kotransport, antiport, aktivní transport, sekundární aktivní transport. Princip pumpy a kanálu, jejich význam.

37. Biochemie pojivových tkání

Význam extracelulární matrix a její složení. Kolageny - jejich role v tkáních. Biosyntéza kolagenu a posttranslační úpravy. Další proteiny matrix - elastin, fibronektin, jejich spojení s buňkami - integriny. Proteoglykanové komplex pojivové tkáně jejich význam. Kostní minerál, jeho složení, výstavba a resorpce. 

38. Biochemie výživy a hladovění

Složení lidského těla a nutnost stálé obměny a energetického příjmu. Složky potravy, požadavky na správné složení potravy. Esenciální složky potravy. Hladovění - 4 fáze z hlediska převažujícího metabolismu. Zvláštnosti metabolismu při hladovění. Částečné hladovění, podvýživa.

39. Antimetabolity a jejich význam

Podstata antimetabolitů. Využití kompetičních inhibitorů jako antimetabolitů s léčebným účinkem. Příklady úspěšných antimetabolitů: analogy THFA, analogy nukleotidů. Význam pro chemoterapii a pro transplantace.

40. Kyslíkové radikály, antioxidační ochrana organismu

Vlastnosti molekulárního kyslíku, tendence k produkci radikálů: superoxidový ion, hydroperoxylový radikál, peroxid vodíku, hydroxylový radikál. Radikálové reakce, peroxidace lipidů. Ochrana - superoxiddismutasa, peroxidasy, katalasa, glutathion-peroxidasa, glutathionreduktasa. Návaznost na pentosový cyklus, možné poruchy. Jiné, než kyslíkové radikály, negativní vliv biotransformací. Tzv. zametače volných radikálů.

41. Regulace biochemických pochodů

Regulace v čase - regulace genovou expresí, regulace enzymové aktivity na různých úrovních, význam allosterických enzymů. Regulace v prostoru - kompartmentace a regulovaný transport, metabolity hladinové a metabolity “tunelované”.

Learning resources

Last update: MUDr. Vlastimil Kulda, Ph.D. (27.09.2021)

Moodle course Medical Chemistry and Biochemistry II  https://lms.lfp.cuni.cz/user/index.php?id=290

Course completion requirements

Last update: MUDr. Vlastimil Kulda, Ph.D. (04.01.2024)

Conditions for the awarding of course credit:

 1.    Full attendance at the laboratories. Absences from laboratory exercises 1–6 can be substituted during January after reservation in the Moodle course.

       Absences from laboratory exercises 7–9 (molecular biology) can be compensated by preparing a seminar paper.

2.    Completed lab reports from all laboratory exercises (completed worksheets).

3.    Completion of all evaluated activities in the Moodle course Medical Chemistry and Biochemistry II.

4.    Credit test successfully passed. The number of attempts is limited to three. If the student does not use these three options within the announced dates, there is no right to ask for an extra date.

Final exam:

To register for the final exam credits from the subject Medical Chemistry and Biochemistry I. (first year, summer semester) and from the subject Medical Chemistry and Biochemistry II. (second year, winter semester) are required. Other conditions for registering for the exam are given in the prerequisites. The exam consists of a written and an oral part. Students successful in the written part proceed to the oral part. To complete the oral part, it is necessary to answer the drawn questions - questions concerning the content of both, lectures and practicals.

If the student did not pass the exam, he/she must pass the whole exam again, i.e. both, the written and the oral part.